Le dihydrogène H₂, plus communément appelé hydrogène, est un gaz inflammable, incolore et inodore. Découvert en 1766, il est récemment devenu un axe prioritaire d’investissement pour la France (près de 10 milliards d’euros), l’Europe (à travers des dispositifs PIIEC/IPCEI) et de nombreux consortiums industriels. Alors qu’il était principalement utilisé dans l’industrie pétrolière et chimique, ses propriétés lui confèrent aujourd’hui un intérêt énergétique majeur dans un contexte de transition écologique et de développement durable.
Comment ce vecteur énergétique encore sous-exploité peut révolutionner l’industrie, le transport et l’énergie ?
Qu’est-ce que l’hydrogène ?
L’hydrogène est une molécule produite lors de la réaction chimique avec une énergie primaire. Actuellement il est issu à 95 % de la transformation d’énergies d’origine fossile¹, comme le charbon, le pétrole, le gaz, qui proviennent de la combinaison d’atomes d’hydrogène et de carbone.
L’hydrogène est également présent dans l’eau (H₂O) où, selon la formule, il se combine à un atome d’oxygène. On trouve aussi cette molécule à l’état naturel au fond des océans et dans la croûte terrestre.
Comment est produit l’hydrogène ?
Pour produire de l’hydrogène en dehors de l’exploration de gisements naturels terrestres et sous-marins, il faut une source primaire contenant des molécules d’hydrogène (gaz naturel, pétrole, charbon ou eau) et une source d’énergie pour produire la réaction chimique permettant d’isoler la molécule d’hydrogène H₂. Les procédés actuels font majoritairement intervenir une énergie carbonée : les hydrocarbures et l’électricité.
On distingue plusieurs types d’hydrogènes selon leur mode de production :
- L’hydrogène carboné ou fossile (ou gris), produit par des procédés thermochimiques à partir d’énergies fossiles.
- L’hydrogène bas-carbone…
- … bleu, produit de la même façon, sauf que le CO₂ émis est capté pour être réutilisé ou stocké,
- … rose ou violet, produit par électrolyse à partir d’eau et d’une source d’électricité nucléaire,
- … jaune, produit également par électrolyse de l’eau, mais celle-ci alimentée par le mix électrique du réseau français.
- L’hydrogène renouvelable (ou vert), sur lequel se concentrent les investissements, produit par électrolyse à partir d’eau et d’une source d’énergie renouvelable comme le solaire, l’éolien…
L’énergie présente dans l’hydrogène est récupérée de deux manières différentes, soit par combustion pour produire de la chaleur, soit en utilisant une pile à combustible pour produire de l’électricité.
Les avantages de l’hydrogène
Sous-exploité en tant que vecteur énergétique, l’hydrogène possède un potentiel exceptionnel. Il peut être valorisé pour différents usages permettant d’accélérer le processus de décarbonation de l’économie, en la rendant moins tributaire des énergies fossiles, d’atteindre les objectifs de la France en matière de réduction de gaz à effet de serre², et de développer localement une filière industrielle profitable.
Le champ d’exploitation de l’hydrogène renouvelable est considérable. Seul combustible non carboné, donc non émetteur de CO₂ en combustion, il peut être utilisé comme un carburant propre, peut permettre de produire des carburants de synthèse, et peut se substituer au gaz naturel fossile pour la production de chaleur (par incorporation au méthane ou à travers des réseaux dédiés) et d’énergie. Il est aussi polyvalent car il peut être stocké (par liquéfaction ou compression), transporté ou utilisé pour la production de chaleur et d’électricité bas-carbone.
Ce qui se joue en ce moment
Le développement de l’hydrogène constitue une opportunité au niveau national pour accélérer la transition énergétique, et développer une filière industrielle et un écosystème porteur. Les investissements se concentrent sur la recherche et développement de technologies innovantes et performantes sur tous les usages possibles de l’hydrogène, sur l’industrialisation des process de production au niveau national et européen, et sur la mise en place d’infrastructures pour le déploiement dans les territoires. En tant qu’énergéticien, Picoty s’intéresse de près à ce vecteur d’énergie du 21e siècle.
Cas pratique : comment fonctionne un véhicule à hydrogène ?
En libérant trois fois plus d’énergie lors de sa combustion qu’un litre d’essence³, l’hydrogène est un carburant alternatif performant. Il peut être utilisé avec un moteur à combustion interne (motorisation thermique) ou avec une pile à combustible.
Avec un moteur thermique à combustion interne
La production d’énergie à partir d’hydrogène se fait par combustion directe dans un moteur thermique. Cette solution nécessite de remplacer le système d’injection, le réservoir liquide (essence ou diesel) par un réservoir gazeux, et d’adapter les matériaux pour qu’ils résistent aux particularités de la combustion de l’hydrogène. Cette solution technologique faiblement émettrice de particules fines et de gaz à effet de serre permet d’accélérer la transition énergétique du transport lourd et de la mobilité au quotidien.
L’utilisation d’une pile à hydrogène avec une motorisation électrique
La voiture électrique, équipée d’une pile à combustible à hydrogène, produit à bord sa propre électricité par une réaction électrochimique, inverse de celle de l’électrolyse, entre l’hydrogène et le dioxygène. Cette énergie électrique alimente alors un moteur électrique classique. L’hydrogène est stocké sous pression dans un réservoir spécifique qui alimente la pile à combustible. Un véhicule électrique à hydrogène n’émet aucune particule ni gaz à effet de serre.
Sur certains modèles de véhicule à batterie électrique, l’ajout d’une pile à combustible permet de recharger la batterie en cours de roulage, comme un groupe électrogène. La pile à combustible à hydrogène intervient donc comme un prolongateur d’autonomie du véhicule électrique classique qu’elle équipe. Contrairement à un véhicule électrique à hydrogène, c’est toujours la batterie qui alimente la motorisation, et sa recharge via une borne électrique est toujours nécessaire.