L’hydrogène pour décarboner nos territoires, réel levier d’action ?
Comment l’hydrogène constitue-t-il un levier prometteur pour engager une transition énergétique éco-responsable et efficace ?
Temps de lecture : 6 min – 7 décembre 2020 – L’équipe de LaVilleE+
Produit de différentes manières et à des fins d’utilisation très variées, l’hydrogène est un vecteur énergétique qui commence à s’imposer dans les stratégies de mixité énergétique. Des initiatives autour de véhicules hydrogène, processus industriels décarbonés, stockage des énergies renouvelables se développent massivement en France et en Europe afin de répondre aux objectifs de la transition énergétique. Nous vous proposons d’investiguer les opportunités pour les territoires à décarboner leurs activités et à rendre plus flexible leur production d’énergies propres.
L’hydrogène, vecteur énergétique opportun pour les territoires
L’hydrogène et usages d’aujourd’hui
Élément chimique le plus abondant sur terre, l’hydrogène est présent dans l’eau, les hydrocarbures et la biomasse. C’est un vecteur énergétique, son extraction nécessite une dépense d’énergie pour casser les liaisons qui le lient à d’autres éléments chimiques avant d’être stocké (dans des piles à combustibles ou bonbonnes). L’énergie de l’hydrogène est ensuite récupérable par combustion ou grâce au système des piles à combustibles (production d’électricité avec la réaction oxygène, hydrogène). Il représente un énorme potentiel pour le stockage des énergies renouvelables et la flexibilité du mix énergétique territorial.
L’hydrogène est une ressource déjà utilisée en matière première dans l’industrie chimique pour la fabrication d’ammoniac, de méthanol, de verre et de métaux. Il est également utilisé dans l’industrie pétrolière pour le raffinage des carburants.
En France, la consommation d’hydrogène est estimée à 1 million de tonnes par an et sa production industrielle à 900 000 tonnes par an. L’hydrogène liquide est utilisé également dans les lanceurs spatiaux, c’est le carburant qui assure notamment le lancement de la fusée Ariane 5.
Une autre caractéristique intéressante de l’hydrogène est sa teneur en énergie : 1 kg d’hydrogène contient 3 fois plus d’énergie qu’1 kg d’essence.
Des modes de productions variés : gris, bleu et vert
L’hydrogène peut être gris, bleu, ou vert en fonction de son mode de production et des ressources utilisées pour le produire.
L’hydrogène gris, un mode de production carboné
L’hydrogène est dit gris lorsqu’il est produit à partir d’énergies fossiles tel que le gaz naturel, le pétrole ou le charbon. Aujourd’hui, 95% de l’hydrogène dans le monde est produit à partir d’énergies fossiles.
Les différents modes de productions sont une source d’émission de dioxyde de carbone et de gaz à effets de serre.
L’hydrogène vert, un vecteur énergétique décarboné ?
Un autre mode de production de l’hydrogène est l’électrolyse de l’eau. Il s’agit d’utiliser de l’électricité pour casser les liaisons chimiques entre l’oxygène et l’hydrogène contenus dans l’eau. L’hydrogène est dit vert lorsque ce processus est réalisé à partir d’électricité issue d’énergies renouvelables ou du nucléaire.
Aujourd’hui, l’électrolyse reste une technique encore très onéreuse. Elle fait néanmoins l’objet de recherches pour réduire ces coûts et ainsi être commercialisée sur une grande partie du territoire car cette technologie présente une opportunité pour la production d’énergies locales.
L’obtention des différents types d’hydrogène nécessite une utilisation d’énergies émettrices de dioxyde de carbone au moment de leur production.
“L’exploitation de l’hydrogène que produit naturellement la Terre pourrait ouvrir une nouvelle ère énergétique.”
Isabelle Moretti, ancienne directrice scientifique d’Engie dans le journal Ouest France.
L’hydrogène vert, levier de la transition énergétique ?
Vers le développement d’énergies vertes sur le territoire ?
La Loi de transition écologique pour la croissance verte de 2015 fixe comme objectif de réduire de 30% la consommation d’énergies fossiles en 2030 par rapport à 2012. Elle prévoit également d’augmenter la part d’énergies renouvelables à 32% et à 40% l’électricité verte consommée en 2030.
Dans un tel contexte de transition écologique, l’hydrogène vert a un rôle à jouer pour soutenir la diversification du mix énergétique. La loi énergie climat de 2019 vise notamment à soutenir cela. Avec un horizon 2030, elle amorce une transition pour atteindre une proportion entre 20% et 40% d’hydrogène issu d’énergies renouvelables dans la consommation totale d’hydrogène industriel en France.
Pour aller plus loin : LES ÉNERGIES DANS LES TERRITOIRES, PERSPECTIVES ET DÉFIS
De même, la Commission Européenne a pour objectif de produire 1 million de tonnes d’hydrogène vert d’ici 2024 et 10 millions de tonnes d’ici 2030. A horizon 2050, la technologie de l’électrolyse devra être exploitable sur tout le territoire afin de décarboner les secteurs très émetteurs de gaz à effets de serre, notamment les filières industrielles.
“La pertinence de l’hydrogène se révèle à une échelle locale, dans une vision systémique de l’énergie : valorisation des sources renouvelables, interconnexion et flexibilité des réseaux énergétiques, valeurs ajoutées dans différents usages – mobilité, industrie, autoconsommation).”
ADEME
Power to mobility : vers une mobilité décarbonée
Un des objectifs de la loi d’orientation des mobilités de 2019 est d’interdire la vente de voitures roulant à l’énergie fossile d’ici 2040, dans un but d’atteindre une neutralité carbone des transports terrestres en 2050. Une des mesures clés de la loi est d’accompagner l’acquisition de voitures électriques et hydrogène. Soutenir les poids-lourds roulant aux gaz, à l’hydrogène et à l’électricité est une première étape vers des mobilités plus durables.
Pour aller plus loin : VERS UNE MOBILITÉ DURABLE : CONJUGUER EFFICACITÉ, INCLUSIVITÉ ET RESPECT DE L’ENVIRONNEMENT
L’hydrogène vert a un rôle à jouer pour réussir la transition écologique des mobilités puisqu’il permet de stocker de l’énergie propre en surplus et sa production n’émet pas de CO2. De nombreuses initiatives autour de l’électrolyse, la pile à combustible et l’hydrogène vert dans la filière des transports sont en cours de déploiement ou d’expérimentation.
Exemple : Hype, la première flotte de taxis hydrogène à Paris
La start-up française Hype est un exemple d’initiative pour la mobilité verte, avec sa flotte de plus de 100 taxis dans Paris. Roulant à l’hydrogène grâce à une pile à combustible embarquée, cette compagnie rejette uniquement de la vapeur d’eau. Hype vise une flotte de 600 taxis dans la capitale d’ici fin 2020.
Exemple : Bus à hydrogène et production territoriale d’hydrogène vert
A Pau, Le Fébus, bus 100% hydrogène assure la mobilité des habitants. La ville prévoit de produire son hydrogène 100% vert sur le territoire grâce à une station produisant l’hydrogène avec l’électrolyse de l’eau, alimentée par l’électricité issue des énergies renouvelables.
Exemple : Logistique verte et camions hydrogènes
Du côté des poids lourds, la transition énergétique est également enclenchée. Alors que l’entreprise Air Liquide et le port de Rotterdam s’associent pour développer une flotte de 1000 camions roulant à l’hydrogène d’ici 2025, Hyundai vient d’effectuer la livraison de 10 camions hydrogène en Suisse. Le Xcient Fuel Cell, développé par le constructeur automobile Coréen, supporte une autonomie de 400 km avec une recharge effectuée en moins de 10 minutes.
La possibilité de développement des flottes de transports à hydrogène est dépendante de la disponibilité des stations de recharge d’hydrogène sur les territoires. A titre d’exemple, la société Atawey conçoit des stations compactes de chargement d’hydrogène, déployables en ville, ZAC, plateformes d’entreprises. Ces stations permettent de recharger aussi bien des voitures hydrogène, des vélos hydrogène ou encore des flottes de véhicules lourds plus importantes. Les stations peuvent être alimentées en hydrogène par une logistique de bonbonnes d’hydrogène ou produire directement l’hydrogène vert sur place grâce à l’électrolyse de l’eau à partir d’électricité verte. Ces stations autonomes s’inscrivent dans une démarche de transition vers une mobilité verte et une production locale d’énergie.
Exemple : Le projet Zéro Émission Valley, une flotte hydrogène pour le territoire Auvergne- Rhône-Alpes
14 stations délivrant de l’hydrogène pour les véhicules, c’est le projet “Zéro Emission Valley” porté par la région Auvergne-Rhône-Alpes, dont la mise en place sera assurée par Atawey, McPhy et TSM. D’ici 3 ans, le projet devrait comprendre une flotte de 1200 véhicules et 20 stations hydrogènes à électrolyse, alimentées par de l’énergie verte.
Une forme hybride électrique/hydrogène dans le domaine des transports voit également le jour pour transiter vers une mobilité “verte”.
Exemple : Symbio, les véhicules qui s’adaptent à l’hydrogène
Symbio, coentreprise de Michelin et Faurecia est un autre exemple de mobilité zéro émissions. L’activité principale de l’entreprise est d’équiper en hydrogène des utilitaires, bus et poids lourds électriques en véhicules grâce à son kit de pile à hydrogène. Le système a déjà été mis en place pour les véhicules Renault Kangoo Z.E Hydrogen et Renault Master Z.E Hydrogen leur assurant une autonomie de 350 km.
L’organisation maritime internationale (OMI) a aussi comme objectif de réduire d’au moins 50% ses émissions de dioxyde de carbone d’ici 2050 par rapport à 2008. A Nantes, le Navibus “Jules Verne 2”, une navette fluviale électrique/hydrogène, est en phase d’expérimentation et permet aux habitants de traverser l’Erdre depuis 2019. Propulsé grâce à l’hybridation de deux piles à combustibles contenant de l’hydrogène et de batteries, le bateau a la particularité de ne rejeter que de l’eau et d’être silencieux. Il se recharge en hydrogène en quelques minutes grâce à une station alimentée par Air Liquide avec des bonbonnes d’hydrogène gazeux sur le ponton.
Power to Gaz : hydrogène vert et diversification du mix énergétique
L’hydrogène produit par électrolyse – eau et électricité verte -, peut être combiné au CO2 capté depuis les zones d’activités industrielles. Ce procédé s’appelle la méthanation. Ce mélange de gaz ainsi créé peut être injecté dans le réseau de gaz naturel et être distribué en ville, dans les bâtiments pour des usages domestiques.
En ce sens, l’hydrogène permet d’améliorer la flexibilité du mix énergétique renouvelable du territoire tout en valorisant les émissions de dioxyde de carbone issues de l’industrie ou des usines de biogaz (les méthaniseurs). Une injection de l’hydrogène vert pur dans le réseau gazier est également possible mais dans une proportion très limitée.
Exemple : Jupiter 1000, projet vert de grand ampleur dans les Bouches du Rhône
Symbio, coentreprise de Michelin et Faurecia est un autre exemple de mobilité zéro émissions. L’activité principale de l’entreprise est d’équiper en hydrogène des utilitaires, bus et poids lourds électriques en véhicules grâce à son kit de pile à hydrogène. Le système a déjà été mis en place pour les véhicules Renault Kangoo Z.E Hydrogen et Renault Master Z.E Hydrogen leur assurant une autonoA Fos-sur-mer dans les Bouches du Rhône, “Jupiter 1000”, un démonstrateur d’injection d’hydrogène dans le réseau de gaz naturel, est en train d’être mis en place. Le projet sera alimenté par les énergies éoliennes du grand port maritime de Marseille, acheminées par le réseau d’électricité de proximité. Cette énergie verte permettra de créer un gaz de synthèse à partir de l’hydrogène produit grâce à l’électrolyse de l’eau et du CO2 capté, provenant d’une usine à proximité. Ce gaz créé par méthanation sera injecté dans le réseau gazier du territoire.
Exemple : MéthyCentre, une combinaison des systèmes de biogaz et hydrogène
Dans la commune d’Angé en Loir et Cher, le projet “MéthyCentre” prévoit une production de gaz sur le territoire d’ici 2021. Les déchets organiques des exploitants agricoles de proximité, partenaires du projet, seront acheminés jusqu’au site de stockage de Céré-la-ronde où ils seront transformés en biogaz par un méthaniseur ».
Les émissions de CO2 de cette unité de méthanisation seront captées et couplées à l’hydrogène produit à proximité par électrolyse de l’eau pour créer un gaz de synthèse qui sera purifié et injecté dans le réseau gazier. L’hydrogène produit permettra également d’alimenter la mobilité verte de la région et le digestat issu de la méthanisation pourra servir d’engrais pour épandage sur les terres agricoles des exploitants partenaires du projet.
Exemple : Projet injection hydrogène réseau gazier, GRHYD à Dunkerque
Dans les Hauts de France, l’initiative GRHYD (Gestion des Réseaux par l’injection d’Hydrogène pour Décarboner les énergies) mis en place en 2018, est une démonstration de l’utilisation de l’hydrogène dans le Power to Gas. Le projet teste pendant 2 ans l’injection d’hydrogène à hauteur de 6% dans le réseau gazier afin de fournir en chaleur les 100 premiers logements et le centre de soin du nouveau quartier de Cappelle-la-grande à Dunkerque.
L’hydrogène injecté est produit et stocké localement grâce à la technologie de l’électrolyse, alimentée par l’électricité verte provenant des panneaux solaires sur les toitures du quartier et des éoliennes à proximité.
Le projet vise également à fournir du carburant (GNV) à une station de bus avec le mélange hydrogène-gaz naturel. Cette démonstration du Power to Gas permettra de stocker l’énergie renouvelable produite en surplus et de l’utiliser en temps que combustible, dans le réseau de gaz du quartier.
Power to Power : stockage des énergies renouvelables et autoconsommation dans les bâtiments
Un des axes du plan de déploiement de l’hydrogène annoncé par Nicolas Hulot en 2018 est de développer des capacités de stockage des énergies renouvelables.
Pour aller plus loin : UN APPEL À L’ACTION ÉCOLOGIQUE : LE GUIDE ADEME “DEMAIN MON TERRITOIRE”
Le processus d’électrolyse de l’eau permet grâce à l’électricité verte, de séparer l’oxygène de l’hydrogène dans la molécule de l’eau. C’est en ce sens que l’électricité en surplus provenant des éoliennes, panneaux solaires et stations hydrauliques peut être stockée par l’intermédiaire de l’hydrogène. De tels systèmes de stockage peuvent être appliqués pour fournir en énergie les bâtiments, éco-quartiers voire une plus grande échelle de territoire comme l’illustrent les exemples d’initiatives suivantes.
Exemple : Stockage pour l’autoconsommation, synergie entre réseau de gaz et d’électricité, le bâtiment Delta Green à Saint Herblain
La structure Delta Green à Saint Herblain, près de Nantes, abritant des commerces, des bureaux et habitations, produit de l’hydrogène à partir de l’électricité – électrolyse – issue des panneaux solaires installés sur sa toiture. Cet hydrogène stocké dans des piles à combustible est ensuite restitué sous forme d’électricité et injecté dans le réseau du bâtiment. Cette autoconsommation de l’énergie au sein d’un même site est une solution pour limiter les pertes d’énergies renouvelables.
Exemple : Solution Sylfen, stockage et distribution d’énergies renouvelables
Sylfen propose une technologie permettant aux bâtiments et éco-quartiers de stocker leur production d’énergie solaire en surplus grâce l’électrolyse de l’eau, par l’intermédiaire de l’hydrogène. Ce système de stockage est combiné à une pile à combustible, permettant de délivrer aux bâtiments l’énergie stockée par le vecteur hydrogène durant les périodes où la production d’énergie solaire est stoppée. Ce système est combiné à un mécanisme de co-génération du biogaz produit dans des unités de méthanisation à proximité. Ce processus permet alors de fournir électricité et chaleur lorsque le stock d’hydrogène est épuisé, tout en utilisant une énergie verte produite localement.
Exemple : Le projet de Stockage Myrthe en Corse
La Corse, désireuse d’atteindre l’autonomie énergétique d’ici 2050, expérimente le stockage de l’énergie solaire par l’hydrogène sur le site de Myrthe. Ce stockage réalisé grâce à l’électrolyse de l’eau, permettrait à l’île, dépendante des importations extérieurs d’énergie, d’utiliser sans intermittences – notamment la nuit – cette électricité renouvelable produite sur son territoire. A l’heure actuelle, le site permet d’alimenter les besoins en énergie d’un hameau et prévoit de déployer 7 stations solaire-hydrogène d’ici 2023.
Power to Industry : décarbonisation des activités industrielles
Selon l’AFHYPAC (Association Française pour l’Hydrogène et les Piles à Combustible), 11,5 millions de tonnes de dioxyde de carbone sont émises chaque année pour la production d’hydrogène gris utilisé comme matière première dans les filières industrielles.
L’utilisation de l’hydrogène vert dans les filières consommant de l’hydrogène comme matière première permettrait de faire un pas vers la décarbonisation des activités industrielles. La production de cet hydrogène à partir de l’électrolyse de l’eau est encore trop onéreuse pour une utilisation industrielle à grande échelle. Sur certains territoires en transition, des initiatives se mettent en place afin de commencer à produire cet hydrogène propre en plus grosse quantité afin de le rendre plus compétitif.
Exemple : Lhyfe, la première production industrielle d’hydrogène “vert” en Vendée
L’entreprise Lhyfe est en train de construire une usine d’hydrogène vert sur le parc éolien offshore de Bouin qui alimente cette production. Lhyfe prévoit de produire entre 300 kg et 1000 kg d’hydrogène vert par jour. Doté du système de l’électrolyse, l’usine fournira au public une énergie verte pour la mobilité et les industries.
Hydrogène et innovations, une énergie en plein essor
Des infrastructures et de stockage et de distribution en développement
Un des enjeux de la filière hydrogène est de développer des modes de transports plus optimisés – plus d’énergie dans un volume plus réduit – et ce sur une large partie des territoires européens. L’hydrogène est actuellement acheminé par pipeline, par des trains et camions dans des bonbonnes à haute pression ou encore par bateau.
Très inflammable au contact de l’oxygène, ce vecteur énergétique peut très facilement s’échapper des réservoirs de stockage. Des recherches et innovations sont en perpétuel développement afin d’améliorer l’étanchéité et limiter les microfissures des bonbonnes de transport d’hydrogène. L’Europe possède un réseau de pipeline de 1600 km permettant l’acheminement de l’hydrogène – actuellement gris – vers différents sites industriels. Les principaux réseaux européens se situent en France, en Allemagne et au Benelux.
L’hydrogène pourrait être acheminé par injection dans le réseau de gaz naturel actuel jusqu’à un certain pourcentage – entre 6 et 20% selon les démonstrateurs du Power to Gas. Afin de supporter une plus grande teneur en hydrogène dans le réseau de gaz naturel, une remise à niveau des infrastructures devra être réalisée. Le système de transport de l’hydrogène par bonbonnes à hautes pressions en trains et camions fait aussi l’objet de recherches afin d’optimiser l’hydrogène contenu dans un certain volume. A titre d’exemple, sans avoir recours à la mise sous pression,le volume d’un coffre d’un grand utilitaire serait nécessaire pour stocker 1 kg d’hydrogène, soit la quantité pour effectuer seulement 100 km. Des innovations sont donc attendues notamment en ce qui concerne la forme et l’étanchéité des bombonnes de stockage afin de faciliter leur intégration aux véhicules.
Exemple : L’hydrogène liquide par HiSiLabs
La start up française HiSiLabs a développé un système sécurisé pour transporter l’hydrogène de manière liquide en bateau ou en camion, à une température et une pression ambiante. Ce vecteur énergétique liquide permettrait un rendement d’énergie 7 fois plus performant que sous forme gazeuse d’après le constructeur et assurerait un acheminement sécurisé de l’hydrogène.
Exemple : Hydrogen Frontier, hydrogène liquéfié, transporté par voie marine
Au Japon, l’Hydrogen Frontier est le premier bateau permettant de transporter de l’hydrogène sous forme liquide. D’ici sa mise en service en Mars 2021, ce vaisseau s’approvisionne en hydrogène gris, produit à partir d’énergies fossiles, liquéfié en Australie pour un acheminement vers le Japon.
Des technologies pour l’hydrogène en maturation
Le secteur automobile actuel est partagé entre le développement des véhicules à hydrogène équipés de piles à combustible et des véhicules électriques à batteries.
Le cycle de vie des batteries est très controversé et le temps de chargement de celles-ci affectent les usages pour la mobilité. D’un autre côté la pile à combustible, chargée en hydrogène, ne rejette que de l’eau et possède une capacité de chargement beaucoup plus rapide que les batteries – quelques minutes contre quelques heures. En revanche, la technologie émergente est à un prix encore trop élevé pour être compétitive.
Exemple : Vers une production des piles à combustibles à grande échelle
Dans un objectif de globaliser l’utilisation de l’hydrogène vert sur le territoire, Hydrogène de France veut se doter d’ici fin 2021, d’une usine de fabrication de piles à combustibles à forte capacité. Le but étant d’améliorer le coût et de pouvoir gérer des stocks d’électricité renouvelable très importants. La société française a en effet signé un contrat avec Ballard Power System, société canadienne experte dans la fabrication des piles à combustibles dans le but d’installer une usine à Bordeaux, destinée à fabriquer des piles à combustibles de plus de 1MW de stockage.
L’hydrogène dans les territoires, un écosystème à développer
L’hydrogène vert et décarboné est une réelle opportunité pour les territoires en transition énergétique et écologique. Flexibilité du mix énergétique, stockage des énergies renouvelables, décarbonisation des filières industrielles et de mobilité, sont les possibilités qu’offrent ce vecteur énergétique s’il est produit à partir d’énergies renouvelables.
Pour aller plus loin : VILLES ET CRISES, RÉSILIENCE SE CONJUGUE AU PLURIEL
L’électrolyse s’inscrit dans cette démarche de production durable d’hydrogène et doit encore améliorer sa compétitivité afin d’être déployable à grande échelle sur tous les territoires en transition.
Pour une plus grande exploitation de l’hydrogène dans tous les secteurs d’activité, les filières de stockage et de distribution de l’hydrogène doivent encore développer des infrastructures de stockage plus performantes. Étendre le réseau de pipelines d’hydrogène et rendre plus robustes les infrastructures du réseau de gaz naturel sont les gros travaux à venir si le vecteur hydrogène veut être utilisable sur une grande partie des territoires.
Beaucoup d’initiatives et de projets pour développer l’hydrogène vert sont soutenus par la France et l’Europe afin d’affiner et concrétiser le plan de déploiement de l’hydrogène des années à venir. Des solutions d’intégration en milieu urbain émergent et restent à soutenir.
