Que faut-il savoir au sujet de l'hydrogène vert ?

Perçu comme une solution d’avenir, l’hydrogène vert occupe une place croissante dans les stratégies de neutralité carbone. Source d’énergie renouvelable et bas-carbone, elle pourrait ainsi constituer une alternative fiable aux hydrocarbures fossiles et accélérer la transition énergétique de la France.

Qu’est-ce que l’hydrogène vert ? Quelles utilisations pouvons-nous en faire pour tendre vers une société bas-carbone ? Cet élément est-il vraiment décarboné comme son appellation le laisse entendre ?

Hydrogène vert, définition

L’hydrogène vert - ou hydrogène renouvelable et bas-carbone - est un vecteur d’énergie et non une énergie primaire. Historiquement utilisé dans l’industrie à partir de sources carbonées - pour produire de l’engrais et permettre le raffinage -, l’hydrogène a vu son mode de production évoluer et devenir faible en émissions de gaz à effet de serre (GES). 

Dans les faits, 116 millions de tonnes d’hydrogène sont produites chaque année dans le monde. La production mondiale d’hydrogène vert représente, quant à elle, moins de 1 % par an. En revanche, la part de l’électrolyse - le procédé permettant la production d’hydrogène vert - représente 6 % des volumes en France, soit la part la plus importante que dans le reste du monde.

Les différentes formes d’hydrogène 

On relève quatre formes d’hydrogène selon la source ou le procédé de fabrication utilisé : 

• l’hydrogène vert (renouvelable) constitue l’alternative la moins émissive, étant entièrement issu des énergies renouvelables (solaire, éolienne, hydraulique, etc.) ;
• l’hydrogène gris (fossile) est produit à partir de procédés thermochimiques fonctionnant aux énergies fossiles ;
• l’hydrogène bleu (bas-carbone) est fabriqué selon la même méthode que l’hydrogène gris, si ce n’est que le CO2 émis est capté, puis réutilisé ou stocké ;
• l’hydrogène jaune (bas-carbone) est spécifique à la France. Il est produit par l’électrolyse de l’eau à partir du réseau électrique français en majorité composé d’énergie nucléaire.

Un procédé de fabrication bas-carbone

L’hydrogène (ou le dihydrogène H2) est un gaz indolore et incolore. Il résulte de l’extraction des atomes d’hydrogène issus de sources ou de matières premières (l’eau, les sources fossiles - charbon, pétrole et gaz naturel - ou la biomasse).

Différents procédés sont ainsi utilisés pour extraire cette molécule : 

• le vaporeformage du gaz naturel, qui implique l’utilisation de catalyseurs à base de nickel et une température de 700 °C pour être en mesure de casser la molécule de méthane ;
• la pyrogazéification employée pour décomposer la matière solide (bois, déchets, etc.) ;
• l’électrolyse de l’eau, un processus qui nécessite un courant électrique pour décomposer l’eau en dioxygène (O2) et en dihydrogène (H2). 

Cependant, ces procédés sont particulièrement émetteurs en gaz à effet de serre. Pour preuve, selon l’ADEME, la production d’un kg d’hydrogène issu du gaz naturel émet 11,10 kgCO2/kgH2.

C’est pourquoi la production d’hydrogène vert s’effectue par électrolyse de l’eau. L’électricité employée est issue d’énergies renouvelables faibles en émissions carbone. Dans le détail, pour fabriquer un kg d’hydrogène, l’utilisation de l’électricité : 

• du mix réseau français émet 2,77 kgCO2/kgH2 ;
• éolienne est à l’origine de 0,70 kgCO2/kgH2 ;
• photovoltaïque rejette 2,58 kgCO2/kgH2 ;
• hydraulique produit 0,45 kgCO2/kgH2.

Ces chiffres prennent en compte l’ensemble de la chaîne amont (le procédé de transformation, la fabrication des équipements et l’électricité utilisée). Le transport de l’hydrogène peut quant à lui constituer une source d’émission complémentaire (de 0,35 à 1,1 kgCO2 émis par kg d’hydrogène sur 100 km par camion).

Un stockage long terme

Inutilisée à l’instant T, l’électricité issue d’hydrogène vert peut facilement être stockée. En effet, l’hydrogène a pour avantage de pouvoir se transformer de nouveau en électricité lorsque nécessaire - et vice versa.

Stockable sur du long terme (plusieurs semaines, voire plusieurs mois), l’hydrogène vert permet : 

• de répondre à la demande énergétique lorsque la production électrique instantanée s’avère insuffisante ;
• de faire face à l’intermittence des énergies renouvelables.

Cependant, d’un point de vue environnemental et économique, cette solution de stockage n’est efficiente que sur certains sites isolés ou des micro-réseaux alimentés à 100 % par des énergies renouvelables.

En outre, grâce aux avancées technologiques, les infrastructures gazières seront en mesure de substituer l’hydrogène vert au gaz naturel. Ce procédé appelé « Power-to-gas » consiste à relier le réseau électrique au réseau de gaz de sorte à pouvoir convertir l’électricité en hydrogène ou en méthane de synthèse.

Deux modes de stockage longue durée sont ainsi envisagés : 

• l’installation de canalisations dédiées au stockage de l’hydrogène pur ;
• l’injection de méthane de synthèse produit à partir d’hydrogène et de CO2 - via le procédé de méthanation - directement dans les canalisations existantes de gaz.

Il contribue à l’atteinte de la neutralité carbone

L’hydrogène vert se positionne donc comme une alternative aux hydrocarbures fossiles. Au vu de son faible impact carbone, il joue un rôle clé dans la réduction des émissions de GES et dans l’atteinte de la neutralité carbone désirée en 2050. Globalement, il contribue à la lutte contre le réchauffement climatique.

L’hydrogène renouvelable représente ainsi une opportunité prometteuse pour une transition énergétique durable dans les secteurs dont la réduction des émissions de CO2 s’avère compliquée.

Attention, l’utilisation seule de l’hydrogène vert ne permettra pas d’atteindre la neutralité carbone en 2050. Les actions de sobriété énergétique s’avèrent plus que nécessaires pour relever les défis climatiques auxquels nous faisons actuellement face.

Il soutient la décarbonation des transports

L’utilisation de l’hydrogène vert est envisagée pour décarboner le secteur des transports et plus particulièrement, la mobilité lourde (routière, ferroviaire, maritime et fluviale). 

À l’heure actuelle, le transport lourd représente plus de 22 % des émissions carbone de l’ensemble des transports. Or, à l’horizon 2026, les flottes du secteur public devront être composées de 37,4 % de véhicules à très faibles émissions. [ADEME]

En vue d’entamer la décarbonation du secteur, les véhicules de transport collectif de personnes et de transport de marchandises devront alors : 

• être munis d’une pile à hydrogène ;
• ou être électriques et munis d’une batterie. 

Cependant, bien qu’elle doive être privilégiée, la solution bas-carbone actuelle (électrique-batterie) n’est pas adaptée à tous les moyens de mobilité du fait du temps de recharge, de l’autonomie accordée ou de la capacité de chargement. Dans ce cas, l’hydrogène s’avère être une alternative pertinente. Cette seconde solution ne requiert que quelques minutes pour remplir le réservoir d’un véhicule et ne rejette que de l’eau lors de son utilisation.

L’hydrogène vert facilite la transition écologique de l’industrie

L’industrie - notamment les secteurs de la chimie, de la sidérurgie et du raffinage - s’avère particulièrement consommatrice en énergies fossiles et est donc émettrice d’une quantité non négligeable de GES. À l’horizon 2030, l’usage d’hydrogène vert contribuerait à mener les émissions du secteur à 53 millions de tonnes de CO2 - contre 80 millions de tonnes aujourd’hui -, comme déterminé dans la Stratégie nationale bas-carbone (SNBC).

Selon l’ADEME, chaque année, la France produit 780 000 tonnes d’hydrogène carboné issu à 95 % des énergies fossiles, uniquement pour des usages industriels. L’empreinte carbone de ces usages est estimée à 8,7 millions de tonnes de CO2 par an.

👉 Néanmoins, cette production tend à baisser puisqu’elle était estimée à 900 000 tonnes en 2012.

Par ailleurs, la réindustrialisation du pays - inscrite dans le plan France 2030 - ne semble pouvoir s’effectuer sans l’utilisation de l’hydrogène décarbonée. La priorité consiste alors à remplacer les énergies fossiles par l’hydrogène vert et augmenter le nombre d’électrolyseurs sur le territoire.

Il offre des avantages économiques

Au-delà de réduire l’empreinte carbone des territoires, les multiples avantages issus de l’utilisation de l’hydrogène vert constituent des arguments forts pour inciter les collectivités à déployer des infrastructures de production et de distribution. De fait, la création de ces écosystèmes vertueux : 

• mutualisent les moyens ;
• fédèrent les acteurs privés comme publics autour d’un objectif commun ;
• créent des emplois, participant ainsi au développement économique des régions ;
• répandent l’usage de l’hydrogène vert en finançant de nouvelles infrastructures ;
• valorisent les énergies renouvelables ;
• contribuent aux stratégies régionales et nationales pour la transition écologique.

Le coût encore élevé de l’hydrogène vert

Encore en phase de développement, les technologiques utilisées pour produire l’hydrogène vert sont coûteuses, compliquant le déploiement de cette solution à grande échelle. 

À titre d’exemple, l’électrolyse de l’eau est 3 à 6 fois plus chère que le vaporeformage du gaz naturel. [Gouvernement]
En avril 2021, l’ADEME indiquait que l’acquisition d’un véhicule hydrogène était 3 à 4 fois supérieurs à son équivalent traditionnel.

En outre, le développement de la filière hydrogène implique de former les techniciens et d’avoir recours aux ressources, ainsi qu’aux matériaux nécessaires à la construction les infrastructures. Autant d’éléments qui alourdissent la facture.

Deux solutions sont à notre disposition pour réduire les coûts : 

• améliorer le rendement énergétique ;
• industrialiser la fabrication des équipements et augmenter la puissance des électrolyseurs.

Un impact environnemental controversé

Malgré les avantages de l’hydrogène vert, son rendement demeure encore trop faible - comme nous l’avons étudié sur la question des transports. De fait, la production nécessite une consommation élevée d’électricité pour obtenir un rendement correct. Or, même en utilisant une électricité renouvelable, les impacts induits par la production de l’hydrogène bas-carbone ne sont pas nuls.

À cela s’ajoute l’impact environnemental pouvant être provoqué par les fuites d’hydrogène. Une étude parue dans la revue scientifique Communications Earth & Environment, révèle que l’émission d’une tonne d’hydrogène dans l’atmosphère équivaut à rejeter 13 tonnes de CO2. 

En France, l’utilisation de l’hydrogène vert fait l’objet d’une stratégie nationale publiée en 2020. Celle-ci prévoit des politiques publiques de soutien et d’accompagnement, ainsi que 9 milliards d’euros d’aides publiques. Trois grands objectifs sont à atteindre : 

• installer - d’ici 2030 - 6,5 GW d’électrolyseurs nécessaires à la production de 600 kt/an l’hydrogène vert ;
• éviter 6 millions de tonnes de CO2 en décarbonant les usages industriels et les véhicules lourds ;
• construire une filière industrielle créatrice de 50 000 à 150 000 nouveaux emplois directs ou indirects.

À terme, il s’agit de conjuguer le développement technologique avec la compétitivité économique et la transition écologique pour faire de la France le leader européen dans ce domaine.

En outre, la PPE (Programmation Pluriannuelle de l’Énergie) délivre les orientations et les actions prioritaires que doivent initier les pouvoirs publics dans le domaine de l’énergie. Dès 2028 est requis le déploiement de : 

• 400 à 1 000 stations-service hydrogène ;
• 20 000 à 50 000 véhicules utilitaires légers ;
• 800 à 2 000 véhicules lourds.

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