L'économie de l'hydrogène vert, catalyseur de la transition énergétique
Abstract : Le concept de l’économie de l’hydrogène présente une vision transformative pour un avenir énergétique durable. L’hydrogène, en tant que moyen de stockage et vecteur d’énergie, offre une solution potentielle à divers défis énergétiques critiques, notamment la sécurité énergétique, la durabilité environnementale et le développement économique. Cet article explore les possibilités offertes par une économie de l’hydrogène, notamment son rôle dans le stockage de l’énergie, la décarbonation et la facilitation de l’intégration des énergies renouvelables. Il examine également comment les technologies numériques et la plateforme 3DEXPERIENCE peuvent soutenir une stratégie globale pour la recherche, le développement, la validation et les processus de production de l’hydrogène vert.
Comment l’économie de l’hydrogène peut soutenir une société d’énergie durable
Dans le monde d’aujourd’hui, la production et la consommation d’énergie dépendent encore largement des combustibles fossiles à l’échelle mondiale, responsables de la majorité des émissions de CO2, notamment dans des secteurs tels que l’électricité, le chauffage, les transports et l’industrie. On estime qu’en 2019, les émissions mondiales de CO2 liées à l’énergie ont atteint 33,3 gigatonnes métriques (Gt) par an [1]. Pour surmonter les risques liés à l’augmentation des températures provoquée par les émissions de gaz à effet de serre, de nombreux pays s’efforcent de faire la transition vers un avenir où les technologies des énergies renouvelables assurent l’électrification des processus des utilisateurs finaux, grâce à de l’électricité provenant de sources vertes [2]. Cependant, en raison de l’utilisation omniprésente des combustibles fossiles, de nombreux secteurs sont encore “difficiles” à décarboniser uniquement grâce à l’électricité.
Le concept d’hydrogène “vert” a été proposé comme une alternative appropriée à l’utilisation des combustibles fossiles [3]. À condition d’utiliser une source d’électricité propre et renouvelable (d’où le terme “vert”), l’électricité peut être utilisée pour diviser l’eau en hydrogène et en oxygène sans émissions de gaz à effet de serre, dans le cadre d’un processus appelé électrolyse [4]. En particulier, l’hydrogène présente plusieurs avantages : il possède une densité énergétique massique élevée, il est léger et facile à stocker et à convertir, ce qui permet de le transporter et de l’utiliser de manière sûre et économique [5]. Il peut être utilisé comme matière première chimique, brûlé pour produire de la chaleur, utilisé comme réactif pour la production de carburants synthétiques ou converti en électricité par le biais de piles à combustible.
Ainsi, sous sa forme “verte”, l’hydrogène est considéré comme un atout puissant dans la lutte contre le changement climatique [6], les scientifiques ayant suggéré de l’utiliser comme principal moyen de stockage de l’énergie et comme principal carburant pour les voitures, les avions, etc. D’un autre côté, les opposants insistent sur le fait que la technologie n’est pas encore prête à être adoptée en raison des coûts de production élevés et du manque de maturité des processus de conversion vers et à partir de l’électricité [7].
On peut affirmer sans risque que la vérité se situe au milieu. En fait, il existe de nombreux domaines que les énergies renouvelables ne peuvent pas atteindre sans passer par une transition, et l’hydrogène a le potentiel de combler ces lacunes dans l’effort de décarbonisation, car il possède une flexibilité inhérente en tant que produit chimique et vecteur d’énergie non émissif. Alors qu’aujourd’hui l’utilisation de l’hydrogène représente 88 Mt/an, on prévoit que la demande d’hydrogène pourrait atteindre 2,3 Gt par an en 2050 [8], ce qui a conduit au concept d’une “économie verte de l’hydrogène” en tant qu’acteur distinctif dans le cadre d’une “société de l’énergie renouvelable” (Fig. 1).
Figure 1 : (a) l'utilisation de l'hydrogène "gris" ou "bleu" aujourd'hui dans une économie soutenue par les combustibles fossiles.
(b) une économie de l'hydrogène "verte" en tant qu'acteur distinctif dans le cadre d'une "société de l'énergie renouvelable".
Figure 2 : L'économie verte de l'hydrogène en tant qu'acteur d'une société fondée sur les énergies renouvelables, composée de lignes de
Production d'hydrogène alimentées par des énergies renouvelables, d'installations de stockage et de conversion, de lignes de distribution, etc.
Comment structurer la transition vers une économie de l’hydrogène vert ?
Une stratégie en trois phases pour la mise en œuvre de l’économie verte de l’hydrogène a été récemment proposée [11] :
En outre, l’hydrogène vert (c’est-à-dire l’hydrogène produit à partir de sources renouvelables) est mis en œuvre dans des secteurs tels que l’industrie de la synthèse chimique, où aujourd’hui 96 % de l’hydrogène utilisé est de l’hydrogène “gris”, produit à partir du pétrole, du charbon et du reformage du méthane à la vapeur [12].
Ensuite, l’hydrogène pourrait être utilisé pour décarboniser des secteurs tels que les transports et le chauffage, grâce à des piles à combustible et à des mélanges avec les gazoducs.
À long terme, l’hydrogène peut avoir une présence accrue dans le secteur des transports pour produire des électrocarburants (e-carburants) pour l’aviation et dans la production de chaleur pour les processus industriels.
Aujourd’hui, 6,3 Gt/an d’émissions de carbone proviennent du secteur industriel, et 1,1 Gt/an (17 %) sont liés à la production d’hydrogène gris [12]. L’hydrogène “bleu” (c’est-à-dire l’hydrogène gris associé aux technologies de captage et de stockage du carbone) est une option écologique. Cette technique est déjà utilisée dans des industries comme le raffinage du pétrole, la fabrication d’ammoniac et de méthanol. L’hydrogène sert aussi dans d’autres domaines comme le carburant spatial, la fabrication de verre, l’amélioration des aliments gras et dans certaines technologies pour ses caractéristiques uniques. Toutes ces utilisations peuvent bénéficier de l’hydrogène plus propre, dit “vert”, pour diminuer la pollution par le CO2.
Par conséquent, le remplacement de l’hydrogène à base de combustibles fossiles (hydrogène gris) par de l’hydrogène vert est une solution viable pour décarboniser de nombreux processus de synthèse chimique à grande échelle, avec la possibilité de réduire les émissions de carbone prévues de 1,6 Gt/an d’ici 2050 [12]. Pour utiliser l’hydrogène vert dans la création de produits chimiques, il est crucial de se concentrer en priorité sur l’amélioration de la technique de séparation de l’eau en oxygène et hydrogène à grande échelle.
Ensuite, les innovations en matière d’infrastructures et de technologies énergétiques permettront à l’hydrogène de trouver de nouveaux marchés, notamment pour la décarbonisation des transports lourds et à longue distance, ainsi que pour le chauffage des bâtiments.
En 2015, 22 % des émissions de CO2 provenaient du secteur des transports [12]. Il est donc essentiel de trouver des solutions de remplacement fiables pour les moteurs à combustion interne afin de réduire cette empreinte carbone. Les véhicules électriques à pile à combustible (FCEV), qui consomment uniquement de l’hydrogène et de l’oxygène de l’air, sont déjà disponibles dans le commerce [13]. Dans le même temps, les véhicules électriques apparaissent comme une technologie compétitive, de sorte que l’on estime que les véhicules à pile à combustible auront un impact plus important sur les véhicules lourds et à longue autonomie, tandis que les véhicules électriques seront davantage utilisés dans les petits véhicules à courte autonomie qui peuvent bénéficier de technologies de recharge rapide [14]. Les prévisions actuelles montrent que les camions à pile à combustible pourraient remplacer 25 % du parc automobile d’ici 2050 [14].
D’autre part, 12 % supplémentaires des émissions de CO2 en 2015 ont été produites par le secteur des bâtiments et du chauffage [12]. Dans ce secteur, il existe des alternatives telles que le chauffage solaire ou électrique, et il est peu probable que l’hydrogène soit plus compétitif en termes de coûts que l’électrification. En tant que tel, l’hydrogène peut assurer le rôle de carburant de transition pour combler le fossé avec les technologies électriques de plus en plus efficaces et rentables [15].
Enfin, dans une troisième phase, l’objectif est de construire une société dont les besoins énergétiques sont entièrement satisfaits par les énergies renouvelables, ce qui implique à la fois les technologies de l’électricité et de l’hydrogène, entre autres, et la conversion de l’énergie entre ces deux formes. Ainsi, le grand secteur restant sera celui de la production d’électricité, qui ne peut survivre grâce aux seules énergies renouvelables en raison de leurs incertitudes intrinsèques, et où le stockage de l’énergie est crucial. Les solutions de stockage de l’énergie joueront un rôle important pendant les périodes creuses, l’hydrogène étant l’une des rares technologies vertes capables de répondre aux besoins de stockage de l’énergie sédentaire qui sont aujourd’hui satisfaits par la production d’électricité à partir de combustibles fossiles.
L’augmentation prévue de la production d’électricité à partir de sources renouvelables peut entraîner une demande d’énergie saisonnière représentant jusqu’à 20 % de la production totale [16], ce qui équivaut à une demande d’hydrogène de 1,2 Gt/an [17]. Comparé aux batteries, l’hydrogène peut stocker l’énergie avec des pertes minimales pendant une longue période. Cependant, il est important de noter que le stockage de l’énergie, bien qu’étant l’une des applications proposées les plus importantes pour l’hydrogène, sera la dernière application à porter ses fruits.
Enfin, il existe des situations dans l’industrie du transport où l’électrification n’est pas possible, comme dans le secteur aérospatial. Les émissions de carbone dues aux carburéacteurs devraient augmenter jusqu’à 2,6 Gt/an de CO2 émis d’ici 2050 [18]. Ce secteur est très complexe en raison de la densité énergétique volumétrique requise (aujourd’hui remplie uniquement par le kérosène) et de la technologie actuelle des piles à combustible [19]. Une solution viable est la production d’e-carburants, qui peut réduire les émissions globales de carbone tout en étant compatible avec l’infrastructure existante.
Comment la digitalisation peut soutenir la transition vers l’énergie verte
Les technologies numériques devraient jouer un rôle déterminant dans le changement et l’évolution vers une économie verte de l’hydrogène. Une étude de Dassault Systèmes montre qu’en 2021, le marché de la production d’hydrogène était évalué à 130 milliards de dollars, avec une croissance prévue de 9,2 % par an jusqu’en 2030, et jusqu’à 30 millions d’emplois créés d’ici à 2050 [20]. Selon Clara Wiltberger, Industrial Equipment Industry, Sales Strategy Associate chez Dassault Systèmes, “l’utilisation de GH2 (Green Hydrogen) comme vecteur énergétique présente de multiples avantages, notamment en termes de sécurité énergétique, de compétitivité industrielle et de réduction des émissions de carbone. Le GH2 constitue une pierre angulaire de l’abandon des combustibles fossiles. C’est un vecteur énergétique polyvalent qui peut être utilisé pour décarboniser de nombreux secteurs à forte intensité énergétique.”
L’enjeu est de prévoir les tendances influentes et d’intervenir de manière opportune. Pour prendre une longueur d’avance, il faut disposer de la technologie et des solutions numériques adéquates. De la capacité des électrolyseurs au stockage de l’hydrogène et aux piles à combustible, de multiples variables doivent être rapidement testées et analysées pour optimiser les produits, les processus, les opérations et l’utilisation industrielle de l’hydrogène. La technologie des modèles virtuels est la réponse la plus disruptive et la plus efficace pour aider à repenser les processus grâce à des représentations 3D précises de données complexes : d’un simple processus GH2 à un modèle d’électrolyseur ou à une gigantesque usine de fabrication. Stefan Ceulemans, Global Industry Business Consultant Director, Dassault Systèmes, a déclaré : “L’expérience du modèle virtuel offre un environnement de travail permettant de collaborer, d’analyser, de visualiser, de simuler et finalement d’extraire des connaissances et des informations pour prendre des décisions plus rapides et plus précises à chaque étape de la chaîne de valeur de l’hydrogène. Grâce aux modèles virtuels, les entreprises obtiennent des informations en temps réel sur les comportements et les propriétés qui pourraient avoir un impact significatif sur les décisions relatives à la production, au transport, au stockage et à l’utilisation de l’hydrogène.” En outre, l’accès à la bonne information au bon moment est l’épine dorsale d’une prise de décision efficace. Cela est particulièrement important pour la gestion d’une usine de fabrication de GH2, qui implique un écosystème très complexe et couvre un large éventail d’opérations et de processus interconnectés. À cette fin, l’optimisation des opérations de l’usine nécessite une plateforme unifiée qui agit comme le centre d’information et de contrôle de la gestion du cycle de vie des produits. Au sein de ce centre, les parties prenantes peuvent capitaliser sur les vastes ressources de données précieuses collectées en temps réel dans le système.
[1] International Energy Agency (2019), Global CO2 emissions in 2019 Analysis.
[2] Manakhov A, Orlov M, Babiker M, Al-Qasim AS (2022), A perspective on decarbonizing mobility: an all electrification vs. an all-hydrogenization venue, Energies 15.
[3] Bockris JOM (1972), A hydrogen economy, Science 80.
[4] Ma Y, Wang XR, Li T, Zhang J, Gao J, Sun ZY (2021), Hydrogen and ethanol: production, storage, and transportation, Int J Hydrogen Energy 46.
[5] Al-Breiki M, Bicer Y (2020), Investigating the technical feasibility of various energy carriers for alternative and sustainable overseas energy transport scenarios, Energy Convers. Manag. 209 .
[6] Rifkin J (2022), The Hydrogen Economy: The Creation of the Worldwide Energy Web and the Redistribution of Power on Earth, 1st ed., Jeremy P. Tarcher/Penguin, New York, NY.
[7] U. Bossel (2006), Does a Hydrogen Economy Make Sense?, Proc. IEEE. 94.
[8] International Energy Agency (2019), The Future of Hydrogen.
[9] Japan Agency for Natural Resources and Energy, Strategic Energy Plan, 2018.
[10] Pivovar B, Rustagi N, Satyapal S (2018), Hydrogen at Scale (H2@Scale): Key to a Clean, Economic and Sustainable Energy System, Electrochem. Soc. Interface. 27.
[11] Oliveira MA, Beswick RR, Yan Y (2021), A green hydrogen economy for a renewable energy society, Current Opinion in Chemical Engineering 33.
[12] IRENA (2018), Hydrogen From Renewable Power: Technology Outlook for the Energy Transition.
[13] International Energy Agency (2020), Hydrogen – Analysis.
[14] Hydrogen Council (2017), Hydrogen scaling up: A sustainable pathway for the global energy transition.
[15] International Energy Agency (2011), Technology Roadmap: Hydrogen and Fuel Cells.
[16] Sterner M, Stadler I (2019), Handbook of Energy Storage Demand, Technologies, Integration, 2nd ed., Springer.
[17] U.S. Energy Information Administration (2020), International Energy Outlook 2020 (IEO2020).
