Annoncée depuis des décennies, mais sans cesse différée, l’heure de l’hydrogène comme source et vecteur d’énergie est-elle arrivée ? Peut-être, à en croire un certain nombre d’indicateurs et de ruptures technologiques en cours.
L’année dernière, deux rapports très sérieux, passés quelque peu inaperçus en France, ont en effet prédit un avenir radieux pour l’hydrogène, appelé selon ces études à jouer un rôle majeur dans la transition énergétique mondiale qui s’accélère. Selon la première étude, réalisée par le renommé cabinet McKinsey, en 2050, la demande annuelle en hydrogène pourrait être multipliée par dix, passant à plus de 600 millions de tonnes par an et ce vecteur d’énergie aurait, à cet horizon, la capacité de stocker 500 TWh d’électricité au niveau mondial (l’équivalent de la production électrique de la France). Dans le transport, l’hydrogène pourrait représenter jusqu’à un quart du marché, avec 400 millions de voitures, 15 à 20 millions de camions et 5 millions de bus. Particulièrement adaptée aux gros véhicules effectuant de longues distances, l’hydrogène pourrait ainsi réduire d’un tiers les émissions de CO2 liées aux transports terrestres (Voir Mc Kinsey & Company).
La seconde étude réalisée par la banque Morgan Stanley confirme cette envolée de l’hydrogène et prévoit que la montée en puissance des énergies renouvelables, cumulée à la baisse de leurs coûts, pourrait faire baisser le coût de production de l’hydrogène de 70 % d’ici 2030. Résultat : le marché mondial de l’hydrogène pourrait générer un revenu annuel de 2500 milliards de dollars en 2050, contre 130 milliards de dollars en 2017 (Voir Morgan Stanley).
Il est vrai que ces organismes très sérieux et peu suspects de sympathies écologistes construisent leurs prévisions en intégrant les avancées technologiques et industrielles en cours et que, dans ce domaine, on peut dire qu’une véritable révolution est en marche. Il y a quelques jours, des scientifiques belges dirigés par le Professeur Johan Martens, de l’Université de Louvain, ont révélé un procédé pour produire de l’hydrogène gazeux à partir de l’eau contenue dans l’air ambiant : le H2O se sépare ainsi en hydrogène (H) et en oxygène (O2). Dix ans de recherche ont été nécessaires pour concevoir et améliorer ces panneaux de 1,6 m2 qui sont à présent capables de transformer 15 % de la lumière solaire en hydrogène gazeux à partir de la vapeur d’eau. Pour rappel, un panneau solaire classique transforme 18 à 20 % de l’énergie solaire en électricité (Voir KU Leuven).
Grâce à cette approche, il devient envisageable de stocker de grandes quantités d’hydrogène dans un réservoir souterrain (à une pression d’environ 400 bars) sans les pertes importantes, inhérentes à la technologie des batteries. En utilisant à un stade industriel des piles à combustible, ces grandes quantités d’hydrogène peuvent ensuite être converties à volonté en chaleur, en électricité ou en carburant pour différents types de véhicules, avec un rendement de conversion exceptionnel, de l’ordre de 90 %.
Selon le Professeur Martens, éminent scientifique, chaque panneau pourrait produire jusqu’à 250 litres d’hydrogène par jour, une efficacité bien supérieure à celle des autres technologies propres existantes. Ce chercheur précise qu’une vingtaine seulement de ces panneaux solaires suffirait à fournir de l’électricité et du chauffage à une famille pendant une année entière. Le premier projet-test utilisant cette nouvelle technologie solaire est prévu dès cette année, pour des habitations à Oud-Heverlee. Le constructeur automobile japonais Toyota, leader mondial des voitures à hydrogène, a immédiatement manifesté son intérêt pour cette technologie innovante et a annoncé vouloir produire de l’hydrogène avec ce nouveau type de cellules solaires.
Une autre avancée majeure a été annoncée il y a seulement quelques semaines par une équipe de recherche de la célèbre Université de Stanford, aux Etats-Unis. Dirigés par le Professeur Hongjie Da, ces chercheurs ont en effet réussi, pour la première fois à extraire directement par électrolyse de l’hydrogène, à partir d’eau de mer. Pour éviter que cette eau salée, chargée d’ions-chlorure, ne détruise rapidement l’anode, ces chercheurs ont protégé celle-ci grâce à un sandwich composé d’une mousse de nickel, qui joue le rôle de conducteur, d'hydroxyde de nickel-fer qui déclenche l'électrolyse et de sulfure de nickel, qui protège l'électrode, grâce à sa couche chargée négativement (Voir PNAS).
Selon ces chercheurs, « Avec des courants identiques à ceux utilisés dans l'industrie, notre anode résiste plus de 1.000 heures contre seulement 12 heures pour une électrode classique plongée dans l'eau de mer ». La validité du procédé a été prouvée en laboratoire et les composants utilisés par les chercheurs de l'université de Stanford s'emploient déjà dans les électrolyseurs existants, ce qui laisse espérer une mise sur le marché des premiers électrolyseurs industriels à l’eau de mer d’ici trois ans.
Une autre équipe de recherche réunissant les universités de Toronto (Canada) et de Berkeley (Etats-Unis) a récemment développé un nouveau type de catalyseur qui ouvre la voie vers la production d' l'hydrogène (H2) à partir de l'eau dans un milieu au pH neutre. Pour atteindre ce résultat, ces scientifiques ont utilisé un substrat de cuivre dopé avec de l'oxyde de chrome et du nickel capable de casser les molécules d'eau afin de créer des protons (ions H+) nécessaires à la formation d'H2. (Voir Nature). Selon cette étude, « Ces travaux ouvrent la voie à la réalisation de systèmes non-coûteux, efficaces et biocompatibles pour stocker et convertir de l'énergie, ainsi que pour la séparation de l'eau de mer en direct ». En outre, réussir à briser la molécule d'eau pour produire de l'hydrogène en milieu neutre pourrait permettre de concevoir des systèmes hybrides, dans lesquels des bactéries génétiquement modifiées pourraient utiliser l'hydrogène produit et du dioxyde de carbone pour produire du carburant.
La production d’hydrogène à partir de biomasse fait également de remarquables progrès : le premier démonstrateur produisant de l'hydrogène à partir de biomasse verra le jour dès cette année dans la Marne. La Communauté de Communes Vitry, Champagne et Der, la SEM Vitry Energies, l'école Centrale Supelec et la société Haffner Energy, viennent d'officialiser la création de VitrHydrogène, le consortium dédié à la création de cet équipement. Il utilisera la technologie Hynoca (Hydrogen No Carbon) de Haffner, qui repose sur le traitement de la biomasse par thermolyse. Dans ce prototype, les molécules d'hydrogène sont extraites du gaz, mélange de monoxyde de carbone et d'hydrogène, dégagé par la matière première chauffée à 450 °C.
Ce nouveau procédé représente lui aussi une véritable rupture technologique, avec des rendements énergétiques obtenus, de l'ordre de 70 %, ce qui permet de ramener le prix de l'hydrogène renouvelable sous les 6 euros au kilo, la moitié du prix du marché… Ce projet financé à 50 % par l'Ademe prévoit la construction de la plate-forme, son exploitation et l'étude des résultats expérimentaux. De la taille d'une station-service, elle produira 5 kg d'hydrogène par heure, à partir de 500 tonnes annuelles de granulés de bois, puis de plaquettes forestières. A terme, l'emploi de déchets issus de l'agriculture est également envisagé, ce qui ouvrirait de nouvelles perspectives très intéressantes pour la valorisation de ces résidus. Dans un premier temps, cette production d’hydrogène vert pourra satisfaire la consommation d'une flotte de 260 automobiles qui seront utilisées par différentes collectivités locales.
Mais il est également possible de transformer et de stocker sous forme chimique le surplus d’énergie issu des pics de production éolienne, grâce à la technique très efficace du "power to gas". Elle consiste à utiliser l’électricité renouvelable en surplus pour produire de l’hydrogène par électrolyse de l’eau. L’hydrogène est ensuite combiné à du CO2 capté sur un site industriel voisin, par un processus de méthanation. Le méthane ainsi formé – neutre en carbone – est injecté dans le réseau gazier, sans aucune restriction de volume.
Fin 2018, trois gestionnaires allemands de réseau d’électricité et de gaz (Gasunie, TenneT et Thyssengas) ont lancé un projet de power-to-gas d’une capacité de 100 MW. Situées en Basse-Saxe, les installations produiront de l’hydrogène et du méthane à partir d’électricité issue, principalement de l’éolien. Ces gaz seront utilisés à la fois comme vecteur de stockage d’énergie et comme carburant pour véhicules.
Autre exemple, celui du fournisseur d'électricité verte Greenpeace Energy et de la régie municipale de la ville d'Haßfurt, qui ont mis en service en octobre dernier une nouvelle unité de power-to-gas dans la ville bavaroise. D'une puissance de 1,25 MW, l'installation utilise un électrolyseur PEM (polymer electrolyte membrane) de Siemens. La compacité de cette technologie permet de faire tenir l'ensemble de l'installation dans un container. Cette dernière doit injecter environ 500 MWh par an d'hydrogène dans le réseau de gaz naturel de la ville. Outre-Rhin, de nombreux autres opérateurs développent cette technologie. Et on dénombre déjà 24 installations pilotes en fonctionnement.
En France, le power to gas est également testé en grandeur nature : depuis juin dernier, le démonstrateur Gestion des Réseaux par l’injection d’Hydrogène pour Décarboner les énergies (GRHYD) injecte en effet de l’hydrogène produit par des énergies renouvelables, dans une proportion qui peut aller jusqu’à 20 %, dans le réseau de gaz de la métropole de Dunkerque, dans les Hauts-de-France.
S’agissant des innovations en matière de stockage de l’hydrogène, il faut également évoquer la société McPhy, créée en 2008. Basée dans la Drôme et en Isère, elle a engagé une décennie de recherches, en partenariat avec le CNRS et le Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives, dans le but de parvenir à convertir en hydrogène les excédents de production d'électricité "verte" par électrolyse de l'eau. Concrètement, le courant permet de décomposer l’eau en oxygène, qui est rejeté dans l'air, et en (di)hydrogène, qui, associé à un métal par hydruration, est capté sous la forme de galette pouvant contenir jusqu'à 50 grammes d'hydrogène. Ces galettes sont ensuite empilées dans des containers, les plus gros pouvant stocker jusqu'à 150 kilos d'hydrogène, soit 5 mégawatts/heure d'électricité, ce qui représente l'équivalent d'un mois de consommation d'une petite ville.
Ces galettes présentent l’avantage décisif d’être composées d’un alliage de magnésium et de fer qui les rendent très sûres et très stables et limitent drastiquement tout risque d’explosion. En outre, un équipement de reconversion mobile permet, toujours par électrolyse, de restituer l’hydrogène sous forme gazeuse et de le réinjecter dans les piles à combustible de véhicules électriques ou dans les réseaux de gazoducs existants. McPhy a déjà livré en 2018 une immense installation de 4 Mégawatts (MW) en cours d'installation, pour valoriser les surplus d'énergie d'un champ éolien de 200 MW de la province du Hebei, près de Pékin. Cette unité va permettre au fournisseur chinois d’énergie Jiantou Yanshan d’utiliser l'hydrogène produit pour alimenter une flotte de bus à hydrogène, en vue des JO d'hiver de Pékin de 2022. En juin 2018, EDF, via sa filiale EDF Nouveaux Business, est devenu le premier actionnaire de McPhy, en entrant pour16 millions d’euros au capital du fabricant d’électrolyseurs et de solutions de stockage et distribution d’hydrogène.
Mais au-delà de toutes ces expériences, c'est la démarche suivie par l'EPFL (École Polytechnique de Lausanne) qui me semble être la plus porteuse d'avenir. Et ce parce qu’elle a simplement repris une manière de produire de l'hydrogène comme sait le faire la Nature depuis des millénaires avec les insectes. Ainsi, les fourmis savent produire un acide appelé acide formique dont la formule chimique est H²CO². Le H² (Hydrogène) et le CO² (gaz carbonique) sont deux éléments essentiels pour notre Planète et la Vie sur celle-ci. Que la Nature ait su les associer dans une même formule montre combien l'acide formique a une importance capitale pour l'Avenir. Or, savoir associer l'Hydrogène et le Gaz Carbonique, ce que des insectes savent faire depuis la nuit des temps, était jusqu'à maintenant très difficile à réaliser de manière industrielle. Seules des usines chimiques spécialisées savent aujourd'hui, dans des conditions strictes de pression et de température, fabriquer en quantité de l'acide formique et ce à des prix non compatibles avec le marché de l'énergie. Partant de ce constat, le Professeur Gabor Laurenczy de l'EPFL et son équipe recherchait depuis des années comment fabriquer de l'acide formique de manière naturelle sans passer par de coûteuses usines chimiques. Après plusieurs années de Recherche et de nombreux tâtonnements, ils ont atteint il y a quelques mois leur objectif. L'EPFL a déposé plusieurs brevets pour protéger ces Recherches. Il suffit d'un simple catalyseur, peu onéreux m'a affirmé le Professeur Laurenczy, pour réussir cette association.
Quel est l'intérêt de savoir ainsi fabriquer simplement de l'acide formique ? Suivez-moi quelques instants et vous allez voir combien cela est lumineux.
Vous prenez quelques panneaux photovoltaïques (ou une éolienne si vous préférez) et un électrolyseur. Par ailleurs, il vous faut de l'eau et une petite bonbonne de CO² car heureusement la quantité de CO² dans l'atmosphère n'est pas assez dense pour réussir l'opération. L'énergie produite par le soleil permet au catalyseur de séparer l'hydrogène et l'oxygène contenus dans l'eau (H²O). Vous laissez partir l'Oxygène dans l'atmosphère et vous conservez l'Hydrogène pour l'associer au CO² que vous avez en réserve. C'est là que le catalyseur découvert par l'équipe du Professeur Laurenczy est essentiel. Ce catalyseur permet le mariage de l'Hydrogène et du CO² et nous obtenons de l'acide formique. En vérité, le processus est un peu plus complexe que cette simple opération mais je puis vous affirmer que le Professeur Laurenczy sait fabriquer de l'acide formique avec une machine qui n'est pas plus grande qu'une armoire électrique. Je l'affirme car j'ai personnellement vu cette machine. Nous sommes donc très loin des usines chimiques qui s'étendent sur des milliers de m² pour actuellement fabriquer de l'acide formique. Quel est l'intérêt de cet acide formique ? C'est un liquide incolore qui n'est pas plus dangereux et agressif que l'acide acétique (le vinaigre). Nous sommes en présence du meilleur moyen de stocker de l'Hydrogène. Il n'y a aucun danger et il n'est pas nécessaire de savoir générer plusieurs centaines de bars pour stocker ce vecteur énergétique. Vous pouvez donc stocker des milliers de litres d'acide formique au fond de votre jardin comme beaucoup le font avec leur fuel de chauffage.
Quand vous avez besoin d'électricité, une pile à combustible spécifique (également développée par l'équipe du Professeur Laurenczy), tout à fait opérationnelle, reprend le H² de l'acide formique et l'associe à l'Oxygène de l'air pour faire de l'électricité. Le CO² qui a repris sa liberté n'est surtout pas lâché dans l'atmosphère. Il repart au début du cycle pour faire à nouveau de l'acide formique.
Ce process de stockage de l'énergie sous forme d'acide formique est réellement révolutionnaire. Plus besoin de batteries et il est possible maintenant de stocker l'énergie solaire ou celle du vent pour s'en servir à n'importe quel moment. Mais le bébé est-il trop beau ? Plusieurs mois après le dépôt du brevet par l'EPFL, aucun industriel n'est venu frapper à la porte du Professeur Laurenczy pour se lancer dans une aventure hors du commun. C'est dommage...
Grâce à ces ruptures technologiques et industrielles en cours, l’hydrogène devrait donc jouer un rôle-clé dans la décarbonisation du secteur des transports, enjeu majeur, car ce secteur est à présent responsable à lui seul, avec 13,3 gigatonnes de CO2 émis en 2016, de plus du quart des émissions humaines de CO2.
Heureusement, en matière de transports terrestres, la révolution de l’hydrogène est également en marche : en Allemagne, le premier train commercial au monde fonctionnant à l’hydrogène a été mis en service en septembre dernier sur les 100 km de lignes ferroviaires reliant Cuxhaven, Bremerhaven, Bremervörde et Buxtehude, près de Hambourg. Particulièrement silencieux, de train peut transporter 300 personnes à une vitesse maximum de 140 km/h. Il dispose d’une autonomie de 1 000 km, soit autant qu’un train diesel, une fois rechargé en hydrogène via une station mobile installée au milieu de cette ligne. L’opération prend quelques minutes. Les deux rames déjà mises en service commercialement, qui vont servir pour des retours d’expérience, vont être progressivement renforcées par quatorze autres trains à partir de 2021. Le tout représente un contrat de 200 millions d’euros.
En novembre dernier, la présidente de la Région Occitanie, Carole Delga, a annoncé le lancement du premier train à hydrogène en France en 2021. Cette expérimentation, copilotée par l’Occitanie et Alstom, se déroulera sur la ligne Montréjeau-Luchon (36 km), actuellement fermée. Alstom a par ailleurs précisé qu’il était en mesure de fournir 500 trains à hydrogène d’ici 10 ans, de quoi remplacer la moitié du parc actuel de TER diesel. La Région Auvergne-Rhône- Alpes va se lancer elle aussi dans ces expérimentations de trains utilisant l'Hydrogène comme vecteur d'énergie.
Fin 2018, la SNCF, dont 25 % des locomotives circulant chaque jour utilisent encore le diesel, a pour sa part annoncé une accélération de la transition de ses trains vers la propulsion à hydrogène. Guillaume Pepy vient en effet d'annoncer vouloir abandonner le diesel pour 2035 au plus tard. Le président de la SNCF a précisé que la compagnie ferroviaire allait accélérer son passage à l’hydrogène dans les années à venir.
En matière de transports routiers longue distance, Nikola Motors, le constructeur américain de camions à moteur hydrogène, annonce avoir accumulé plus de 8 000 commandes pour ses deux futurs poids lourds, les modèles Nikola 1 et Nikola 2, équipés de pile à combustible, qui devraient être commercialisés en 2021. Regroupant 2 000 employés, Le site de production sera établi à Buckeye, près de Phoenix en Arizona, pour un montant d’investissement d’un milliard de dollars.
Les camions pourront être achetés ou loués par l’intermédiaire quasi exclusif du leader de la location nord-américaine Ryder. Ce dernier, qui gère une flotte de 234 000 camions en Amérique du Nord, prendra également en charge la maintenance de ces véhicules sur tout le continent Nord-Américain. Le coût d’approvisionnement en hydrogène sera inclus dans le prix d’achat ou de la location (jusqu’à 1 million de miles), sachant que Nikola a prévu de couvrir le pays d’un réseau de 376 stations de ravitaillement. Grâce à un généreux réservoir à hydrogène de 220 litres, ces camions propres auront une autonomie-record allant de 1290 à 1930 km, selon les modèles, pour un plein réalisé en 15 minutes.
Du côté des voitures à hydrogène, le prix (75 000 euros en moyenne), ainsi que le faible nombre de stations de recharge restent des obstacles dissuasifs. Actuellement, seuls trois constructeurs proposent des voitures à hydrogène, Honda, Toyota et Hyundai. Pour convertir l’hydrogène en électricité, un catalyseur au Platine est nécessaire – et le coût de ce métal précieux est très élevé. Mais, là aussi, cette situation va peut-être changer grâce à une percée technologique annoncée il y a quelques semaines par Volkswagen en collaboration avec l’Université de Stanford (Voir Volkswagen).
Dans les systèmes actuels, le platine est distribué sous forme de particules sur de la poudre de carbone. Lors du processus de conversion, seule la surface externe du platine est utilisée, ce qui entraîne une perte importante de ce métal onéreux. Pour surmonter cet obstacle, les équipes de Volkswagen et de Stanford ont réussi à placer de manière précise les atomes de platine sur la surface du carbone, réduisant ainsi sensiblement les quantités de platine nécessaires et multipliant par trois le rendement du catalyseur. Selon le Professeur Prinz de l'Université de Stanford : « Cette technologie ouvre d'énormes possibilités de réduction des coûts, car la quantité de métaux précieux utilisée est réduite au minimum. En outre, la durée de vie et les performances du catalyseur sont augmentées ».
Les experts prévoient que la pile à combustible s'imposera d'abord dans les véhicules utilitaires pour la livraison de marchandises en ville, mais aussi dans les bus et les camions, grâce à l'autonomie importante des véhicules. En revanche, pour les véhicules utilisés essentiellement en milieu urbain, les batteries solides de nouvelle génération seront probablement plus compétitives, mais tout dépendra des avancées technologiques et de la baisse des coûts.
Ce rapide tour d’horizon des avancées scientifiques concernant l’hydrogène nous permet de voir peu à peu émerger le paysage énergétique qui se profile pour le milieu de ce siècle : celui-ci pourra pratiquement se passer des énergies fossiles ou en limiter drastiquement la consommation. Il reposera sur le triptyque énergies renouvelables-électricité-hydrogène et sera structuré autour de milliards d’unités – véhicules, bâtiments ou habitations – qui seront à la fois productrices, consommatrices et transformatrices d’énergie. Grâce à cette architecture horizontale et décentralisée, l’efficacité énergétique de nos sociétés sera, à besoins égaux, bien plus grande qu’aujourd’hui et nous pourrons réduire de manière suffisamment forte nos émissions globales de gaz à effet de serre pour, non pas annuler le réchauffement climatique en cours qui est inexorable, mais en réduire les effets les plus dévastateurs, de sorte que notre Planète conserve des conditions de vie supportables pour les générations futures.
L’avenir n’est jamais écrit et, si nous en avons la volonté collective, nous pouvons encore accélérer cette indispensable mutation de société vers une économie et une production d’énergie sans carbone. Soyons capables d’innover, non seulement dans les domaines scientifiques et techniques, mais également dans les domaines sociaux et politiques, pour réorganiser nos sociétés et nos vies autour de ce combat climatique et énergétique que l'Humanité ne peut pas perdre !
René TRÉGOUËT
Sénateur honoraire
Fondateur du Groupe de Prospective du Sénat
