Pourquoi ce virage vers l'hydrogène ?

L’hydrogène se trouve en abondance sur terre et dans l’univers et on ne risque pas, à terme, de se trouver à court d’hydrogène et c’est là son plus grand atout. La communauté scientifique et les politiques sont unanimes quant au rôle important que va jouer l’hydrogène dans la transition énergétique. En effet, pour atteindre la neutralité carbone d’ici 2050, il faudra miser sur plusieurs sources d’énergies dont l’hydrogène et la transition ne peut se faire sans lui. Il est produit suivant différents procédés : production à partir de matières premières fossiles ou par l’électrolyse de l’eau. Il existe également sous forme naturel au fond des océans et même sur la surface mais son exploitation reste à l’état de la recherche.

Les types d'hydrogène :

Les différents types d’hydrogène :

Aujourd’hui, il existe plusieurs types d’hydrogènes qui sont classés selon le moyen de production:

* L’hydrogène blanc : C’est l’hydrogène pur retrouvé à l’état naturel sous sa formule chimique H2.

* L’hydrogène vert : il est produit à partir de l’électrolyse de l’eau avec une électricité verte (qui provient à 100 % d’énergies renouvelables)

* L’hydrogène gris : fabriqué à partir de matières premières fossiles (charbon ou gaz naturel) par procédés thermochimiques.

* L’hydrogène bleu : Même procédé que l’hydrogène gris mais le CO2 émis est capturé pour être réutilisé ou stocké.

* L’hydrogène jaune : fabriqué principalement en France en utilisant de l’électrolyse mais avec une électricité qui provient principalement du nucléaire.

Comment produit-on de l'hydrogène ?

L’hydrogène à l’état naturel :

L’hydrogène est présent sous forme naturelle sur terre. On le retrouve dans le manteau terrestre, au fond des océans et même à la surface mais son exploitation reste difficile et pour le moment anecdotique. La recherche reste à l’état embryonnaire et il reste plusieurs questions à élucider en commençant par une estimation des réserves disponibles, classer les ressources exploitables, déterminer tous les coûts techniques, financier, humains, écologiques, …

Au Mali, le forage d’un puits pour chercher de l’eau a permis la découverte d’une source naturelle d’hydrogène. Elle est exploitée par la société Hydroma qui fournit, grâce à ce gisement, de l’électricité pour le village de Bourakébougou.

L’hydrogène produit à partir de matières premières fossiles et organiques :

Les composés organiques sont essentiellement constitués de carbone associé à de l’hydrogène. Il existe plusieurs procédés industriels qui permettent d’extraire l’hydrogène de ces matières. Une première technologie est le reformage, qui consiste à faire réagir du méthane avec de l’eau pour obtenir un gaz de synthèse contenant de l’hydrogène. C’est la technologie majoritairement utilisée dans la production industrielle d’hydrogène. Les sources sont le gaz naturel ou le biogaz.

L’autre procédé permet d’extraire de l’hydrogène de la biomasse et le charbon est la gazéification. C’est un processus qui permet, grâce à des quantités contrôlées de vapeur d’eau et d’oxygène et de la chaleur (700°), de convertir la biomasse ou le charbon sans combustion en un gaz de synthèse combustible. Ce dernier est riche en hydrogène puisqu’il est composé majoritairement de monoxyde de carbone (CO) et de dihydrogène (H2). Le monoxyde de carbone réagit ensuite avec l’eau pour former du dioxyde de carbone et de d’hydrogène via une réaction de conversion eau-gaz. Le problème qui se pose avec ces types de production est qu’ils sont fortement émetteurs de CO2 et sont fortement polluants. Ils ne répondent donc pas aux objectifs de décarbonation et de transition énergétique.

L’électrolyse de l’eau :

L’électrolyse est un procédé qui consiste à séparer les molécules d’un élément chimique à l’aide d’un courant électrique. Dans le cas de l’hydrogène, il s’agit de séparer les molécules d’hydrogène et d’oxygène qu’on trouve dans l’eau avec un courant électrique. Il existe deux types d’électrolyse.

1- L’électrolyse à température basse (PEM) : Cette méthode fonctionne à des températures assez basses (50-100 °C) et utilise des membranes polymères conductrices de protons pour faciliter la dissociation de l’eau. L’électrolyse PEM présente des avantages tels qu’un démarrage rapide, une réactivité élevée et une flexibilité d’utilisation. Cependant, elle nécessite des catalyseurs coûteux, tels que le platine, et peut être sensible à la présence d’impuretés.

2- L’électrolyse à haute de température HTE (High-temperature electrolysis): Cette méthode utilise des températures élevées (700 – 1000°C) pour dissocier les molécules d’eau. Elle nécessite l’utilisation de matériaux résistants à la chaleur, tels que les oxydes de zirconium, pour les électrolytes. Cette méthode offre deux avantages importants par rapport à l’électrolyse à température basse :

Les réactions chimiques sont plus faciles et plus rapides quand la température croît;
Une partie de l’énergie nécessaire à la réaction peut être apportée par la chaleur (moins chère que l’électricité). En effet, à plus de 2500 °C, l’apport d’énergie thermique est suffisant et il n’y a plus besoin d’énergie électrique.

Pour l’heure, l’électrolyse reste donc le procédé le moins polluant mais dépend de la provenance de l’électricité. A titre d’exemple, dans sa réglementation sur l’hydrogène, l’Union Européenne qualifie de « renouvelable » un hydrogène produit à partir d’une électricité renouvelable ou d’un mix énergétique « bas carbone ». A noter que lorsque l’électricité utilisée pour faire l’électrolyse est produite avec des énergies 100 % renouvelables, on parle d’un hydrogène vert. En France, on produit également de l’hydrogène à partir d’une électricité qui provient du nucléaire. C’est l’hydrogène jaune.

Produire de l'hydrogène par photosynthèse ! :

Il existe différents micro-organismes qui produisent naturellement de l’hydrogène grâce à la lumière lors de la photosynthèse. C’est le cas par exemple de certaines algues vertes unicellulaires ou de certaines cyanobactéries, qui possèdent l’avantage de produire de l’hydrogène à partir de l’énergie solaire en utilisant seulement de l’eau. Les scientifiques essaient de reproduire le processus en laboratoire afin de pouvoir générer de l’hydrogène pur à l’état gazeux. Inspirée par le processus naturel de la photosynthèse des plantes, la méthode implique l’utilisation de dispositifs spéciaux appelés photocatalyseurs. Ces photocatalyseurs, souvent composés de matériaux tels que le dioxyde de titane, absorbent la lumière solaire et l’utilisent pour déclencher des réactions chimiques. Lorsque la lumière frappe le photocatalyseur, il libère des électrons qui réagissent avec l’eau, produisant de l’hydrogène gazeux. Ce processus offre un moyen prometteur de produire de l’hydrogène propre et renouvelable en utilisant une ressource abondante et gratuite : le soleil. Bien que la photosynthèse artificielle soit encore au stade de la recherche et du développement, elle représente une voie prometteuse vers une production d’hydrogène durable et respectueuse de l’environnement.

Conclusion

Pour conclure, la production d’hydrogène présente un potentiel considérable en tant que source d’énergie propre et renouvelable pour l’avenir. Alors que nous nous efforçons de réduire notre dépendance aux combustibles fossiles et de lutter contre le changement climatique, l’hydrogène émerge comme une solution prometteuse. Cependant, il est essentiel de continuer à soutenir la recherche et le développement, ainsi que d’investir dans des infrastructures adaptées, afin de favoriser une adoption plus large de l’hydrogène à l’échelle mondiale. En exploitant pleinement le potentiel de l’hydrogène, nous pourrons façonner un avenir énergétique propre, durable et prospère pour les générations à venir.

Si vous souhaitez en apprendre plus au sujet de l’hydrogène, téléchargez ce livre blanc rédigé par Dassault Systèmes sur les stratégies et outils de décarbonation agissant pour la neutralité carbone :