Hydrogène: comment le produire ? - ÉNERGIE#16
Bonjour à tous et bienvenue dans cette vidéo de la série sur l’énergie où on va parler de l’hydrogène. Ah… L’hydrogène, un sujet complexe qui suscite beaucoup d’interrogations. Vous allez voir que je vais passer quelques vidéos dessus parce qu’il y a tout plein de choses intéressantes à expliquer. C’est donc parti pour une mini-série de, probablement, quatre vidéos. L’hydrogène est le plus petit atome de l’univers où il est l’élément de loin le plus abondant. L’hydrogène compose 75% de la masse de l’univers et 92% du nombre d’atomes. L’hydrogène constitue 63% des atomes de notre corps et 10% de notre masse. Il est notamment associé à l’oxygène dans l’eau et au carbone dans une bonne partie des molécules organiques. Bref, des atomes d’hydrogène, il y en a partout.
Mais, la molécule qui va nous occuper pendant cette vidéo est, en réalité, constituée de deux atomes d’hydrogène. Quand on parle d’hydrogène, on parle dans la plupart des cas de dihydrogène. Cette molécule de dihydrogène est très peu présente dans notre environnement et c’est pour ça que si on veut de l’hydrogène pour nous aider dans la transition énergétique, il faut le produire… dans la plupart des cas. Dans la plupart des cas ? Ça veut déjà dire qu’il y a une exception? Très bien, commençons par là comme ça on sera débarrassé de ce sous-sujet. Du
dihydrogène est produit sur Terre par différents mécanismes. Pour désigner ce dihydrogène existant dans la nature, on parle d’hydrogène natif ou d’hydrogène naturel. Des désintégrations radioactives peuvent produire du dihydrogène par radiolyse de l’eau donc du dihydrogène est produit par la radioactivité présente naturellement dans l’environnement. Mais, la majorité du dihydrogène produit dans la nature l’est
par réaction entre l’eau et certaines roches, notamment au niveau des dorsales océaniques. Une partie de ce dihydrogène est consommée par des microbes et une autre partie est ventilée et sort de la croûte terrestre réagissant alors rapidement avec plein de trucs. C’est pour ça qu’il n’y a quasiment pas de dihydrogène dans l’atmosphère terrestre. La part restante de cet hydrogène produit naturellement, qu’on a encore du mal à estimer, peut rester bloquée dans la croûte terrestre et s’y accumuler. On le sait notamment parce qu’en 2012, un puits creusé au Mali pour chercher de l’eau est tombé par hasard sur une accumulation de dihydrogène qui est exploitée en continu depuis. Cependant cette exploitation est faible, elle permet d’alimenter une station de production
électrique de 7 kW. 7 kW, c’est 10 fois moins puissant qu’un moteur de voiture, c’est 500 fois moins puissant qu’une éolienne et plus de 100 000 fois moins puissant qu’un réacteur nucléaire. En plus de cette exploitation, des émanations de dihydrogène sont également constatées en surface dans différentes régions du monde. L’existence de quantité importante de dihydrogène dans le sous-sol serait souhaitable, surtout dans des configurations où des processus géochimiques en produiraient en continu parce qu’on aurait alors une ressource renouvelable permettant de produire de l’énergie et dont la consommation n’émet que de l’eau. Il y aurait des impacts liés à l’infrastructure d’extraction et d’utilisation mais ce serait une façon de produire de l’énergie pour les sociétés humaines en ayant peu d’impacts sur l’environnement.
Alors c’est quoi le plan on parie tout là-dessus ? Les défenseurs de cet hydrogène natif soulignent que c’est un phénomène qu’on connaît très peu. Les formations géologiques qui permettraient l’accumulation de dihydrogène ont été peu explorées parce qu’elles ne contiennent pas de ressources fossiles. Mais le dihydrogène est une molécule réactive, très petite et donc très mobile. Il faut des conditions assez particulières pour qu’elle s’accumule dans le sol. Il n’est donc pas du tout évident qu’il y en ait en quantités importantes dans notre sous-sol. C’est une bonne idée de s’intéresser à l’existence d’hydrogène natif. Je
ne vois aucune raison de ne pas s’en servir. Mais, la production est aujourd’hui complètement anecdotique et pourrait très bien le rester à l’avenir. Faire un pari sur la découverte accidentelle d’une source de dihydrogène qui permet aujourd’hui d’alimenter une centrale électrique qui a une puissance 10 fois inférieure à celle d’un moteur de voiture paraît un pari peu judicieux.
C’est un sujet intéressant mais peu pertinent, aujourd’hui, pour réfléchir à la transition énergétique. On va donc laisser de côté cet hydrogène naturel et considérer celui qu’on utilise aujourd’hui et celui qu’on pense utiliser demain. Dans la suite, pour désigner la molécule de dihydrogène, on va faire comme tout le monde et simplement parler d’hydrogène. L’hydrogène a deux utilisations très différentes sur lesquelles on va devoir appliquer différentes logiques dans l’analyse. Il peut être utilisé comme réactif, l’hydrogène est alors utilisé
pour produire autre chose. Par exemple, avec du diazote et du dihydrogène on peut faire de l’ammoniac qui sert principalement à produire des engrais. Quand l’hydrogène est utilisé comme réactif, il ne peut pas être remplacé par autre chose.Il nous faut de l’hydrogène dans l'ammoniac Donc soit on arrive à se passer des produits qui nécessitent de l’hydrogène comme réactif, soit il faut réussir à produire cet hydrogène en émettant moins de CO2 que la production actuelle qui comme on va le voir repose sur les ressources fossiles.
Ce sujet de l’hydrogène en tant que réactif est rarement abordé et pourtant c’est un sujet très important pour deux grandes raisons: d’abord parce que l’hydrogène est aujourd’hui utilisé pour l’immense majorité en tant que réactif, notamment dans la production d’engrais, et dans des procédés de raffinage pétroliers. Ensuite, parce qu’agir sur ces usages pourraient permettre d’importantes réductions des émissions de CO2. La seconde utilisation de l’hydrogène est en tant que vecteur énergétique. C’est quoi encore un vecteur ? Tu ne veux pas dire énergie comme tout le monde ? Genre l’hydrogène: énergie du futur voilà ça ça donne envie de cliquer. C’est pas avec tes éléments de langage chiants que tu vas avoir un million d’abonnés un jour ! Mais contrairement à ce que tu as l’air de penser, ce n’est pas du tout un détail inutile ! C’est très important de comprendre la différence entre ce qu’on appelle une source d’énergie et un vecteur énergétique. Une source d’énergie permet de produire de l’énergie pour les sociétés humaines. Des sources d’énergie peuvent être le
pétrole, le gaz naturel, le charbon, l’uranium, le vent ou le soleil. Mais, pour avoir de l’hydrogène, il faut utiliser une de ces sources pour le produire puisque l’hydrogène qu’on utilise n’est pas extrait de l’environnement. Ensuite seulement on peut utiliser cet hydrogène qu’on a produit pour faire des trucs comme déplacer des voitures ou se chauffer. C’est donc un intermédiaire entre une source d’énergie et une utilisation de cette énergie. C’est pour ça que l’hydrogène est un vecteur énergétique et pas une source d’énergie. La question à se poser n’est donc pas est-ce que l’hydrogène est l’énergie du futur mais est-ce que ça peut être un vecteur énergétique pertinent dans le futur.
Ah ouais… Comme l’électricité, en fait, du coup est-ce que l’électricité c’est aussi un vecteur énergétique ? Exactement, l’électricité existe dans la nature, notamment, sous forme de foudre. Mais, toute l’électricité qu’on utilise, par exemple pour regarder des vidéos Youtube a été produite à partir d’une source d’énergie. L’électricité est donc un vecteur énergétique. D’ailleurs, on verra que l’hydrogène est en compétition avec
l’électricité sur de nombreuses applications. Vous voyez qu’il y a déjà deux sujets importants, l’hydrogène en tant que réactif qui est déjà largement utilisé dans l’industrie et l’hydrogène en tant que vecteur énergétique. Chacun de ces aspects aura le droit à une vidéo dédiée parce qu’il y a beaucoup à dire. Avant de comprendre quelle utilisation de l’hydrogène est la plus pertinente pour la transition énergétique, il faut comprendre comment on va produire cet hydrogène et c’est le sujet qui va nous occuper dans cette vidéo.
Comprendre la production de l’hydrogène est indispensable pour penser l’hydrogène en tant que réactif ET en tant que vecteur énergétique. Et surtout, il faut bien commencer quelque part donc autant commencer par le début. Vu les communications récentes autour de l’hydrogène, ça va peut-être vous surprendre.
Mais, aujourd’hui, l’immense majorité de la production d’hydrogène dans le monde se fait à partir de ressources fossiles. Ah oui… Vous ne le savez peut-être pas non plus, mais nos sociétés utilisent déjà de grandes quantités d’hydrogène : environ 73 millions de tonnes d’hydrogène pur et 42 millions de tonnes d’hydrogène mélangé à d’autres gaz pour des procédés industriels qui n’ont pas besoin d’hydrogène pur. Pour pas mal de quantifications, dont celle-ci, je vais me baser sur les chiffres de 2018 que l’on peut trouver dans le récent rapport de l’Agence internationale de l’énergie, l’AIE, sur l’hydrogène. Sur cette portion de figure dont on étudiera la suite dans une prochaine vidéo, on peut voir qu’en 2018, 71% de la production dédiée d’hydrogène s’est faite avec du gaz naturel, 27 % avec du charbon, un peu moins de 1% avec du pétrole et un peu moins de 1% avec d’autres trucs dont l’électricité. La quasi-totalité de la production dédiée d’hydrogène se
fait à partir de ressources fossiles en émettant donc de grandes quantités de CO2. C’est important de comprendre en détail ces procédés utilisés aujourd'hui pour juger le gain environnemental à les substituer ou à les modifier. Je vais également faire une petite aparté parce que cette figure fait apparaître une perte énergétique puisque la largeur des flèches est proportionnelle à l’énergie contenue par les ressources fossiles à gauche ou l’hydrogène à droite. La cruelle physique de ce monde induit que la production d’hydrogène se fait avec des pertes ! Le rendement de transformation de ressources fossiles en hydrogène se situe autour de 70% mais un rendement pour ça ne doit pas trop vous parler . En gros, brûler l’hydrogène ne permet de produire
que 70% de la chaleur qu’on aurait pu obtenir en brûlant directement les ressources fossiles qui ont permis de produire l’hydrogène. Cet aspect des pertes énergétiques sera central quand on réfléchira à l’hydrogène en tant que vecteur énergétique. En attendant, retenez que toute transformation s’accompagne de pertes qu’il faut considérer quand on réfléchit à l’utilité de ces transformations. J’ai remarqué que tu as parlé plusieurs fois de production dédiée d’hydrogène… C’est quoi ce dédiée, tu veux dire quoi par là ? Parce que de l’hydrogène est aussi co-produit, c’est-à-dire obtenu par des procédés dont le but n’est pas de produire de l’hydrogène. Cet hydrogène coproduit n’est pas perdu et est majoritairement utilisé. Mais, c’est un sujet annexe que j’aborderai quand on parlera de l’hydrogène dans l’industrie parce que cette production est indépendante des choix qu’on doit faire pour produire l’hydrogène qu’on veut avoir. L’hydrogène
coproduit est juste un bonus de procédés industriels qui servent à autres choses. Près des trois quarts de la production dédiée d’hydrogène dans le monde est faite à partir de gaz naturel. Pour rappel, le gaz naturel est une ressource fossile. Il est constitué presque uniquement de méthane de formule CH4. Pour obtenir de l’hydrogène
à partir de ce méthane, on passe par une réaction dite de vaporeformage. Dans un premier temps, une molécule de méthane réagit avec de l’eau pour produire du monoxyde de carbone et du dihydrogène . Ce mélange qu’on appelle gaz de synthèse peut être utilisé directement dans certaines applications industrielles. Mais, si on veut de l’hydrogène pur, on peut, dans un deuxième temps, faire réagir le monoxyde de carbone avec de l’eau pour former une molécule supplémentaire de dihydrogène, réaction nommée tout simplement “réaction du gaz à l’eau”. Le CO2 est ensuite séparé de l’hydrogène et relâché dans l’atmosphère. A partir d’une molécule de méthane et de deux molécules
d’eau, on peut donc produire quatre molécules de dihydrogène. Malheureusement pour produire de manière efficace de l’hydrogène à partir du méthane, il faut des températures élevées, de plus de 700°C. Une partie du méthane est donc souvent brûlée pour atteindre cette température. Le méthane ne sert pas seulement de réactif mais également de carburant dans ce procédé. La production d’hydrogène à partir de gaz naturel émet environ 9 kilos de CO2 par kilo d’hydrogène produit si on ne considère que les émissions directes. Mais, il y a également des émissions indirectes ! En particulier, il y a des émissions dites fugitives associées à la production de méthane. En gros, du méthane s’échappe des exploitations
et des transports et le méthane est un méchant gaz à effet de serre. Pour agréger les émissions de CO2 et de méthane, on regarde l’impact de ces deux gaz sur le climat pendant une durée d’un siècle et on compte en équivalent CO2. Il y aurait plein de trucs à dire sur cet équivalent CO2 mais on ne va pas le faire dans cette vidéo. Si on prend les émissions indirectes en compte, on monte, d’après une analyse du cycle de vie que je vais utiliser plusieurs fois à environ 13 kg d’équivalent CO2 pour produire 1 kg d’hydrogène. C’est la quantification jugée la plus représentative par cet article
scientifique qui procure également une valeur basse à 10 kg d’équivalent CO2 et une valeur haute à 17. Cet écart dépend de certains choix dans les hypothèses mais également de la variabilité qui existe dans le monde réel. Par exemple, l’exploitation de gaz de schiste va être accompagnée de davantage de fuites qu’une exploitation de gaz conventionnelle, les émissions fugitives ne sont pas les mêmes partout.
Les émissions associées à la production d’un kg d’hydrogène par vaporeformage forment un point de repère important. Puisque c’est la méthode la plus utilisée aujourd’hui, le vaporeformage du méthane va nous servir de référence. Environ un quart de la production mondiale dédiée d’hydrogène se fait à partir du charbon d’après une réaction dite de gazéification du charbon. Cette réaction a, encore une fois, lieu à haute température et une partie du charbon est brûlée pour produire la chaleur nécessaire pour atteindre cette température. On obtient là aussi un gaz de synthèse mais il n’y a qu’une seule molécule de dihydrogène par molécule de monoxyde de carbone.
Comme dans le cas du gaz naturel, le monoxyde de carbone peut réagir avec l’eau pour produire une molécule de dihydrogène supplémentaire si on veut de l’hydrogène pur. Pour la gazéification du charbon, on n’obtient que deux molécules de dihydrogène par atome de carbone, et donc, par molécule de CO2 émise. Ce qui implique des émissions de CO2 d’environ 20 kilos d’équivalent CO2 émis par kg d’hydrogène produit. Produire de l’hydrogène à partir de charbon émet plus de CO2 qu’à partir du gaz naturel parce que le charbon contient peu d’hydrogène contrairement au méthane. Et là dans les quantifications que tu viens de donner tu prends en compte les émissions indirectes ? Oui, je les prends en compte. Mais il y a une subtilité à ajouter. L’article d’analyse
du cycle de vie que j’utilise donne des quantifications plus hautes, autour de 24 kg d’ équivalent CO2 par kg d’hydrogène produit si il s’agit de charbon provenant de mines souterraines parce que dans ce cas là, il y a davantage d’émissions de méthane que pour les exploitations de surface dont le charbon a déjà dégazé une bonne partie du méthane qu’il contenait avant qu’on ne l’exploite. En tous cas on voit, sans surprise, que produire de l’hydrogène à partir de charbon est pire que de le produire avec du gaz naturel. La production d’hydrogène à partir du charbon est principalement présente en Chine, pays qui dispose de grandes quantités de charbon mais de très peu de gaz naturel. C’est également un procédé de gazéification du charbon qui est à la base de la production d’acier et on en parlera normalement dans la troisième vidéo de cette série. Avec le vaporeformage du méthane et la gazéification du charbon, on a les deux procédés qui constituent l’essentiel de la production dédiée d’hydrogène aujourd’hui. Mais il y a un truc que je ne comprends pas du coup quand on me parle d’hydrogène on me parle de transition écologique de renouvelable et tout ça … Et là t’es en train de m’expliquer qu’aujourd’hui on fait de l’hydrogène avec des ressources fossiles… Du coup c’est un peu pourri non ? Effectivement la production actuelle d’hydrogène est une production très carbonée qui repose essentiellement sur des ressources fossiles et, donc, non renouvelables. C’est vraiment
pas top et c’est sans doute ce qui explique pourquoi on parle si peu de cette réalité. Et oui... Les discours que tu as dû entendre concernent ce qu’on voudrait faire à l’avenir. Et, ils se concentrent autour de la production d’hydrogène par électrolyse. Dans ce cas là, on utilise de l’électricité pour produire de l’hydrogène à partir de l’eau ! D’abord,l’électrolyse de l’eau n’est pas du tout une rupture technologique récente. Entre les années 1920 et 1960, c’est par électrolyse de l’eau que l’on produisait la majorité de l’hydrogène industriel avant que le gaz naturel ne permette d’en produire pour bien moins cher. L’électrolyse de l’eau c’est quelque chose que l’on sait faire depuis longtemps. D’après le rapport de l’AIE sur l’hydrogène, moins
de 0,1% de la production dédiée d’hydrogène provient d’électrolyse en 2018. Cette production est donc quasiment inexistante aujourd’hui. Comme vous le savez, la molécule d’eau a pour formule H2O. Une molécule d’eau contient donc un atome d’oxygène pour deux atomes d’hydrogène. Si on veut séparer l’hydrogène de l’oxygène, il faut utiliser de l’énergie pour casser ces liaisons. L’électrolyse de l’eau est un procédé qui permet de casser des molécules d’eau en utilisant de l’électricité. On obtient donc une molécule de dioxygène et deux molécules
de dihydrogène à partir de deux molécules d’eau. La quantité d’électricité nécessaire pour produire un kg de dihydrogène est aujourd’hui légèrement supérieure à 50 kWh par kg d’hydrogène produit, je prendrai 52 kWh par kg d’hydrogène pour quelques calculs que je fais dans la suite. L'agence internationale de l’énergie l’AIE estime qu’il faudrait 3600 TWh d’électricité annuellement si on voulait “juste” remplacer la production actuelle d’hydrogène à partir de ressources fossiles par une production entièrement assurée par électrolyse de l’eau. 3600 TWh c’est plus que l’ensemble de la production électrique européenne, c’est environ 7 fois la production électrique française. En France, on produit 900 000 tonnes d’hydrogène
par an pour des usages industriels, majoritairement à partir de ressources fossiles. Si il fallait produire cette quantité par électrolyse, il faudrait près de 50 TWh donc, environ un dixième de l’électricité produite en France. 50 TWh c’est plus que la production totale de l’éolien français en 2019, ou encore, la production d’environ 7 réacteurs nucléaires. Remplacer la production d’hydrogène à partir de ressources fossiles par une production
basée sur l’électrolyse de l’eau demande donc une quantité importante d’électricité supplémentaire et, ici, on ne parle pas encore d’une production d’hydrogène additionnelle pour répondre à d’éventuels nouveaux usages, on parle juste de substituer la production existante à partir de ressources fossiles. ça ne veut pas dire que c’est impossible mais il faut se rendre compte que produire de grandes quantités d’hydrogène demandent beaucoup d’énergie et qu’une telle transformation s’étalera probablement sur des décennies. Mais du coup il nous faut de l’eau pour faire l’électrolyse de l’eau, et là on va peut-être avoir un problème non? Il y a plein d’endroits dans le monde où ça va être un peu tendu sur l’eau? Une question bien naturelle parce qu’on vient effectivement casser de l’eau. Il
faut, au minimum, 9 kg d’eau pour faire 1 kg d’hydrogène. Produire de l’hydrogène par électrolyse double les besoins en eau par rapport à une production à partir de ressources fossiles qui utilise déjà de l’eau. On n’en a pas toujours conscience mais les besoins en eau sont quelque chose de courant dans l’industrie. Il faut environ 20 kilos d’eau pour produire un kilo d’acier, et 40 pour un kilo de papier. Il faut également des quantités énormes pour produire de l’électricité aujourd’hui, notamment pour refroidir les centrales fossiles ou nucléaires. Si l’ensemble de la production dédiée d’hydrogène était
faite par électrolyse, l’eau consommée ne représenterait que 1% de l’eau utilisée aujourd’hui dans le monde par le seul secteur de l’énergie. En plus, si une production dédiée d’hydrogène ne peut pas se faire directement avec de l’eau de mer, dessaler celle-ci jouerait pour moins de 1% du coût final de l’hydrogène qu’on produirait à partir d’eau désalinisée. C’est donc envisageable. De façon générale, les ressources en eau ne posent de problèmes que quand il y a inadéquation entre les besoins et l’eau disponible, ce n’est pas un problème qui se pose partout. Dans le cas de l’hydrogène, ce problème se posera dans les régions où il y a déjà des tensions sur l’eau et où on est loin des côtes. Et cette eau qu’on utilise pour l’électrolyse, elle est détruite ? Oui, mais bien souvent seulement temporairement. Si l’hydrogène est consommé, il l’est souvent suivant la réaction inverse et va donc produire de l’eau. De toute façon,
l’utilisation de cet oxygène, ou sa libération lors du procédé d’électrolyse, n’a aucune influence sur l’atmosphère parce qu’on parle de quantités insignifiantes devant l’énorme quantité d’oxygène présente dans l’atmosphère. D'ailleurs libérer de l’oxygène vers l’atmosphère quand on produit de l’hydrogène par électrolyse n’est ni un avantage, ni un inconvénient. Ce qui est déjà pas mal par rapport à la plupart de nos rejets. En parlant de rejets... j’espère que tu as, au moins, repéré l’avantage de l’électrolyse de l’eau par rapport à l’utilisation de ressources fossiles ? Et bien l’avantage par rapport à ce qu’on a vu avant c’est que ça n'émet pas de CO2. Ah merci ! C’est quand même le point essentiel avec cette façon de produire de l’hydrogène. Cette réaction d’électrolyse de l’eau n’émet pas directement de CO2.
Bah c'est super ! L’hydrogène ça n’émet que de l’eau en l’utilisant, on a de l’énergie propre.C’est un peu le Graal de l’énergie, on a notre solution, t’aurais pû commencer par cette vidéo en fait Est-ce que tu es bien sûr de ce que tu viens de dire ? Pardon je m’emballe un peu je voulais dire on a un vecteur énergétique bas carbone. Voilà normalement j’utilise ton jargon, ça va mieux? Non… J’ai toujours un souci. Est-ce que l’absence d’émission directe implique que l’hydrogène par électrolyse soit bas carbone ? Je crois que c’est bon j’ai compris le truc: ça va dépendre de la façon dont on produit l’électricité.
Et oui… et, comme tu le sais, la production d’électricité engendre des impacts environnementaux et, entre autres, des émissions de CO2 directes et indirectes. Si on produit de l’hydrogène avec de l’électricité, les impacts de cet hydrogène vont beaucoup dépendre des impacts de l’électricité qui permet de le produire. De l’hydrogène produit avec une électricité bas carbone donc nucléaire ou renouvelable aura toujours des émissions de CO2 associées parce que même pour des éoliennes, il faut extraire des métaux, construire les éoliennes, les entretenir, les démanteler etc. Si je me réfère à l’étude que j’ai déjà utilisée précédemment, les émissions associées à l’électrolyse à partir d’électricité bas carbone peuvent descendre légèrement en dessous d’un kg d’équivalent CO2 par kg d’hydrogène produit si on utilise de l’éolien ou du nucléaire. Les quantifications peuvent, comme toujours, varier avec les sources
et on reviendra peut-être sur cet aspect dans la prochaine vidéo. Mais, il est incontestable que de l’électrolyse à partir d’électricité provenant de moyens de production renouvelables ou nucléaires est bien mieux pour les émissions de CO2 que la production d’hydrogène directement à partir de ressources fossiles. Ok donc en gros on voit que l’électrolyse permet d’avoir de l’hydrogène bas carbone Et bien pas toujours, ça permet d’avoir de l’hydrogène bas carbone si l’électricité utilisée est bas carbone mais il faut vraiment faire attention à l’électricité utilisée pour que le remède ne se révèle pas pire que le mal ! Pour vous montrer le problème potentiel, j’ai fait quelques calculs moi-même, je n’ai pas de valeurs minimales et maximales à vous proposer mais les ordres de grandeur que je vais vous présenter sont les bons. Si on se met dans un cas où l’électricité est produite à partir de charbon, le bilan de l’électrolyse n’est plus du tout le même et va monter jusqu’à plus de 70 kg d’équivalent CO2 par kg d’hydrogène produit si on prend en compte les émissions directes et indirectes de la production électrique. Si on a que du charbon, il vaut mieux produire
directement de l’hydrogène avec par gazéification que d’utiliser ce charbon pour produire de l’électricité qui serait ensuite utilisé pour produire de l’hydrogène par électrolyse.Si l’électricité est produite à partir de gaz naturel, on sera à environ 34 kg d’équivalent CO2 par kg d’hydrogène produit et on a le même problème. C’est très important de retenir que c’est bien pire d’utiliser des ressources fossiles pour faire de l’électricité et d’utiliser ensuite cette électricité pour faire de l’hydrogène que d’utiliser directement ces ressources fossiles pour faire de l’hydrogène. Okay… Mais là t'exagère un peu en prenant le charbon et le gaz, en Europe on a beaucoup de renouvelables on a aussi du nucléaire donc on peut peut-être utiliser directement l’électricité du réseau électrique nan ? Et bien non, il y a encore beaucoup de ressources fossiles utilisées en Europe et on en a déjà parlé dans les vidéos sur le réseau électrique. Si je fais le calcul avec l’intensité carbone
moyenne de l’électricité européenne, je trouve que l’hydrogène produit par électrolyse serait autour de 23 kg d’équivalent CO2 par kg d’hydrogène produit, ce qui est bien plus que les émissions associées à la production direct d’hydrogène à partir de méthane. Je vais le répéter parce que c’est important. Aujourd’hui, utiliser l’électricité moyenne présente sur le réseau électrique européen est pire qu’utiliser directement du gaz naturel pour faire de l’hydrogène par vaporeformage de ce gaz naturel. Ok donc l’électrolyse c’est bien si on a de l’électricité bas carbone mais c’est vraiment trop nul pire si on utilise encore beaucoup de ressources fossiles pour l’électricité… c’est bon à savoir. En fait l’électrolyse c’est bien ou pas suivant ce qui a derrière. La question de l’électrolyse de l’eau est trop importante et complexe pour que je puisse la couvrir entièrement ici ! Dans la prochaine vidéo, on creusera cet aspect parce qu’il y a beaucoup de choses à dire sur l’électrolyse et que les plus gros enjeux citoyens et de compréhension se situent sans doute là. J’essaierai de comprendre quand ou pour quel pays l’électrolyse de l’eau est plus pertinente que la production d’hydrogène à partir de ressources fossiles, comment l’électrolyse peut s’intégrer au réseau électrique et on parlera également des deux technologies d’électrolyseurs qui sont aujourd’hui matures et pourraient être déployées dans un futur proche.
Ici, on va s’intéresser aux autres moyens de produire de l’hydrogène. une autre voie pour réduire les émissions de CO2 est très présente dans les rapports techniques mais quasiment absente des discours politiques et médiatiques. C’est celle de la capture et séquestration de carbone associée à la production d’hydrogène à partir de ressources fossiles.
Ah mais ça me dit quelque chose, ce sujet ,on en a déjà parlé sur la chaîne ! Oui, et si je me suis penché sur la capture et séquestration de carbone c’était en partie pour comprendre le sujet de l’hydrogène parce que c’est une question qui revient très souvent dans la littérature scientifique sur l’hydrogène. On a vu que quand on produit de l’hydrogène à partir de ressources fossiles, on émet malheureusement du CO2 vers l’atmosphère. Mais, on a vu dans la vidéo dédiée qu’on savait capturer ce CO2 et le séquestrer même si on le faisait à une échelle très insuffisante aujourd’hui parce que ces procédés sont coûteux, complexes et énergivores. D’ailleurs une partie des installations existantes de capture et de séquestration de carbone sont des installations capturant du CO2 émis par la production d’hydrogène. La production
d’hydrogène couplée à de la capture et séquestration de carbone existe donc déjà aujourd’hui mais en de faibles proportions. Elle était d’environ 500 000 tonnes d’hydrogène par an en 2018 (AIE), un peu moins de 1% de la production dédiée d’hydrogène. Précision suffisamment importante pour que je vous fasse un petit schéma du procédé de vaporeformage du méthane. Je ne sais pas si vous vous souvenez mais dans ce procédé du méthane est utilisé à la fois comme réactif pour produire l’hydrogène et brûlé pour chauffer le réacteur.
Il y a donc du CO2 produit à deux endroits. D’abord dans la réaction qui permet de produire de l’hydrogène. Ce CO2 est relativement facile à séparer. Capturer et séquestrer ce carbone coûte environ 50 dollars la tonne de CO2 pour réduire d’environ 60% les émissions directes du procédé de vaporeformage du méthane. Mais, du CO2 est également produit lors de la combustion du méthane utilisé comme combustible. Dans ce cas, le CO2 est mélangé à l’air qui a été utilisé pour la combustion , il est donc plus dilué et donc plus difficile à séparer. On retombe alors sur les coûts qu’on avait évoqué dans la vidéo sur la capture et séquestration de carbone autour de 80 dollars la tonne de CO2 pour réduire de 90% les émissions directes de CO2.
90% de CO2 en moins, c’est déjà vraiment bien ! Si on pouvait faire ça partout on aurait un avenir plus serein... Oui, mais attention, je parle ici des émissions directes donc des émissions qui ont lieu au moment de la production de l’hydrogène. Si il y a des fuites de méthane au moment de l’extraction, ajouter de la capture et séquestration de carbone au niveau de la production d’hydrogène n’y change évidemment rien. La capture et séquestration de carbone ne peut réduire que les émissions directes. L’étude dont je me suis déjà servie pour les émissions indirectes du vaporeformage de méthane indique comme médiane, 5,6 kg d’équivalent CO2 au lieu de 13,2 quand on ajoute la capture et séquestration de carbone au vaporeformage du méthane, soit une réduction d’environ 60%, au lieu de 90%, quand on prend en compte les émissions indirectes.
Comme toujours on peut trouver des quantifications assez différentes ailleurs, par exemple dans un excellent article de CarbonBrief qui précise qu’un rapport se concentrant sur la province d’Alberta au Canada trouve que les émissions seraient plutôt de 2,3 à 4,1 kg d’équivalent CO2 par kg d’hydrogène produit. Tandis qu’un rapport anglais qui envisage une capture à 95% trouve, lui, entre 0,7 et 2,5 kg d’équivalent CO2 par kg d’hydrogène produit en prenant en compte les émissions fugitives liées à l’extraction et au transport du méthane. Il y a des différences dans les hypothèses mais également des variabilités entre différentes régions du monde notamment sur les émissions fugitives. Si l’existence d’une réduction
quand on applique la capture et la séquestration de carbone n’est pas contestée, son ampleur varie d’un papier à l’autre et la variabilité des quantifications qu’on peut trouver n’aide pas à y voir plus clair. Je vous ajoute également les données pour le charbon de l’article scientifique sur lequel je me base pas mal. La réduction pour le charbon est plus intéressante quand on regarde les exploitations de charbon en surface que quand on s’intéresse à des exploitations souterraines parce que l’exploitation souterraine a tendance à relâcher plus de méthane vers l’atmosphère. On voit quand même que la réduction est importante: près de 90% dans
le premier cas et près de 75 % dans le second. Quand on prend les émissions indirectes en compte, il est très probable qu’une production fossile, même accompagnée de capture et séquestration de carbone, émettra plus d’équivalent CO2 que de l’électrolyse utilisant uniquement de l’électricité d’origine renouvelable ou nucléaire. Il n’y a que le cas du photovoltaïque, notamment dans des pays peu ensoleillés, qui peut être plus dur à trancher. Et cette capture et séquestration de carbone a d’autres défauts. Elle poursuit notre dépendance aux ressources fossiles, des ressources non renouvelables dont on aimerait sortir pour tout un tas de raisons. Ce qui peut d’ailleurs être un problème économique et politique pour les pays qui n’en produisent pas. La balance commerciale française subit plutôt
violemment la dépendance française au pétrole et au gaz. La capture et séquestration de carbone suppose également des investissements, la possibilité géologique d’y recourir et reste une technologie très peu déployée aujourd’hui comme on l’a vu dans une précédente vidéo. Soutenir ces technologies peut également s'avérer politiquement plus difficile. Il est bien plus facile de cacher les défauts derrière l'hydrogène renouvelable que de cacher les défauts derrière la capture et séquestration de carbone.
Okay… Donc là on a vu les défauts de la capture et séquestration de carbone, est-ce qu’il y a des avantages dont tu n’as pas parlé? De l’autre côté, il y a un avantage de la capture et séquestration de carbone auquel je suis sensible mais dont je n’entends jamais parler sans comprendre vraiment pourquoi. Imaginons que l’électrolyse de l’eau m’évite d’utiliser une tonne de méthane pour produire de l’hydrogène. Si c’est pour que cette tonne soit brûlée ailleurs dans l’économie, je n’ai rien changé. Si cette tonne de méthane est brûlée dans
une infrastructure disposant de capture et séquestration de carbone, on s’assure au moins qu’une part importante du CO2 dégagé finit dans le sous-sol et ce méthane ne peut pas être utilisé ailleurs en libérant tout son CO2 dans l’atmosphère. C’est un argument plus ou moins pertinent suivant la probabilité que vous associez à la capacité des sociétés humaines à laisser dans le sous-sol de grandes quantités de ressources fossiles facilement exploitables. Okay, je crois que je comprends ta logique … Si on utilise encore des ressources fossiles, autant le faire sur des trucs qui permettent la capture et séquestration du carbone. Au
moins dans ce cas là on serait sûr d’en mettre une partie sous nos pieds et pas tout dans l’atmosphère. Effectivement, il vaut peut-être mieux utiliser du méthane pour produire de l’hydrogène avec de la capture et séquestration de carbone derrière que pour chauffer l’eau de sa douche... Là, je réfléchis au système dans son ensemble hein… C’est pas pour culpabiliser, je prends des douches comme tout le monde et elles sont chauffées avec du gaz naturel.. Pour comprendre l’intérêt que peut avoir la capture et séquestration de carbone, il faut aussi se rendre compte que “simplement” transformer la production existante d’hydrogène prendra du temps, probablement quelques décennies. En plus, l’électricité de nombreux pays est, encore aujourd’hui, trop émettrices de CO2 pour que l’hydrogène produit avec soit moins carboné que celui produit directement avec des ressources fossiles, sans même prendre en compte la possibilité de capture et séquestration de carbone.
Si une partie de la production d’hydrogène continue de se faire à partir de ressources fossiles pour quelque temps, il vaut mieux que ce soit associé à de la capture et séquestration de carbone. Attention à ne pas raisonner comme si on vivait déjà dans un monde avec des quantités d’électricité bas carbone illimitées, c’est encore très très très loin d’être le cas. Je ne sais pas là, je suis moins convaincu par ton raisonnement. Si je construis des
nouvelles centrales nucléaires ou des nouvelles éoliennes et que je les utilise pour faire de l’hydrogène bas carbone par électrolyse , et ben ça ça provoquera moins d’émissions que les trucs avec la capture et séquestration de carbone non? Ok mais si tu as de l’électricité bas carbone, est-ce que tu ne peux pas réduire davantage les émissions en faisant autre chose que de l’hydrogène ? Par exemple en remplaçant une production électrique venant d’une centrale au charbon ou au gaz. Effectivement… j’ai même pas pensé à cet aspect là…C’est pas évident comme sujet. Et c’est justement pour ça qu’on explorera en détail les subtilités de l’électrolyse dans la prochaine vidéo et on abordera, entre autres, cette question. Pour finir de comprendre l’enjeu de la capture et séquestration de carbone dans la production d’hydrogène, il faut se pencher sur l’aspect économique. Pour se faire une idée des coûts, on peut regarder cette figure du rapport de l’AIE. Ces chiffres sont des prévisions pour l’année 2030 en prenant en compte les améliorations technologiques. Vous pouvez voir les incertitudes liées à différents paramètres et ça devrait
intéresser les plus experts parmi vous mais je ne vais pas rentrer dans ces détails. On voit qu’ajouter de la capture et séquestration de carbone à la production existante d’hydrogène à partir de ressources fossiles a évidemment un coût supplémentaire. Mais, avec une taxe à 40$ la tonne de CO2 émise, il devient rentable d’ajouter de la capture et séquestration de carbone à une production à partir de charbon et peu chère de l’ajouter à une production d’hydrogène à partir de gaz naturel. Évidemment, l’intérêt économique
de la capture et séquestration de carbone sera d’autant plus fort que le prix du CO2 sera élevé. Regardons maintenant la seconde partie de la figure, on peut y voir que même dans un cas idéal pour l’électricité d’origine renouvelable, l’électrolyse restera plus chère que la production à partir de ressources fossiles, même avec capture et séquestration de carbone. La collectivité devra donc subventionner la production d’hydrogène si cette voie est choisie, avec, comme gain, une plus forte réduction des émissions de CO2 si c’est de l’électricité bas carbone. On trouve des résultats similaires ailleurs. Prévoir l’évolution des technologies est difficile mais ces projections de coûts ont l’air consensuelles. L’hydrogène produit par électrolyse restera probablement plus cher que l’hydrogène produit à partir de ressources fossiles, au moins pour la prochaine décennie. Ok mais on est peut-être prêt à payer plus cher pour réduire les émissions de CO2, parce que si on ne le fait pas si on ne lutte pas contre le changement climatique ça va également nous coûter très cher ? En fait, si on raisonne avec une somme d’argent limitée, ou de matériaux ou d’énergie ou de personnes limitées, il serait plutôt logique d’optimiser l’ensemble de l’économie en investissant d’abord où il est plus facile de réduire les émissions de CO2.
Et dans ce cas là, il est bien plus rentable aujourd'hui de déployer la capture et séquestration de carbone que l’électrolyse de l’eau. C’est ce que montre, par exemple, l’article d’analyse du cycle de vie que j’ai beaucoup utilisé jusque là Sur cette figure, la référence est le vaporeformage du méthane. On regarde ensuite combien ça coûte d’éviter l’émission d’une tonne de CO2 en déployant une autre technologie à la place. Une différence importante avec la figure précédente c’est que ce sont ici les coûts actuels estimés par un article de 2019 et non des coûts projetés pour le futur. Vous voyez qu’ajouter de la capture et séquestration de carbone permet d’éviter des émissions en dépensant beaucoup moins d’argent qu’avec de l’électrolyse utilisant de l’énergie éolienne, photovoltaïque ou nucléaire. L’électrolyse est très
chère aujourd’hui et l’enjeu est de faire baisser au plus vite ces coûts. Si ces coûts vont décroître à l’avenir, notamment si on commence à utiliser l’électrolyse de façon importante, il n’est jamais évident de savoir à quelle vitesse ces coûts vont décroître et jusqu'où. Cette figure nous montre que si on réduit les émissions de CO2 en suivant une logique d’optimisation économique, les technologies de capture et séquestration de carbone semblent un choix rationnel. Et, même ce coût là, il n’est pas certain que la société soit prête à le payer vu le niveau de la taxe carbone en France et en Europe. tu m’auras au moins convaincu que la capture et séquestration de carbone c’est un sujet qu’on ne peut pas ignorer mais du coup pourquoi on l’ignore pourquoi on n’en parle pas plus ? J’ai l’impression qu’on ne parle que de l’électrolyse ... Je suis d’accord avec toi, je trouve qu’on n’en parle effectivement pas assez. Après,
il y a beaucoup de points de vue différents. Et comme sur beaucoup de sujets sur l’énergie, on a vite une forte polarisation et des discours partiaux. J’ai essayé de vous présenter les différents éléments du débat sur la capture et séquestration de carbone et je pense que vous voyez bien que c’est un sujet assez compliqué. Quand on regarde différents scénarios de déploiement de l’hydrogène bas carbone, la capture et séquestration de carbone associée à du vaporeformage de méthane est souvent présente ou, au moins, discutée. Et j’espère que vous comprenez pourquoi ça peut être considéré comme une voie intéressante, notamment dans des pays utilisant encore pas mal de ressources fossiles.
Mais, si on est très optimiste sur la capacité de déployer rapidement de l’électricité bas carbone et sur le coût de l’électrolyse, c’est tentant de sauter cette étape et de passer directement à l’électrolyse qui permet une meilleure réduction des émissions de CO2, avec moins d’incertitudes et en évitant de rester dépendant des ressources fossiles. Et le choix entre ces deux voies dépend de la situation actuelle mais aussi, et surtout, de paris difficiles que l’on doit faire sur les évolutions futures de tout plein de trucs. En plus, le choix entre ces deux voies va changer suivant les pays, en fonction de choix politiques différents, mais aussi, et surtout, en fonction des ressources disponibles et du caractère bas carbone, ou non, de l’électricité produite. Voilà, j’ai maintenant passé pas mal de temps à vous expliquer les deux grandes voies envisagées pour la production d’hydrogène bas carbone à courte et moyenne échéance.
Je vais maintenant dire quelques mots de moyens de production alternatifs. Si on regarde la seconde partie de la figure que je vous ai présentée précédemment, vous pouvez maintenant voir qu’il y a d’autres technologies moins connues. Ces technologies, en rouge, sont encore immatures donc les estimations présentées sont très incertaines. Mais,
ça montre l’intérêt des technologies que je vais vous présenter maintenant: elle pourrait permettre de produire de l’hydrogène avec moins d’émissions que le vaporeformage du méthane mais en étant plus abordable que l’électrolyse. Par contre, on est dans quelque chose de plus prospectif, ces technologies ne seront peut-être jamais déployées à l’échelle commerciale. On va regarder ces technologies mais en laissant de côté l’utilisation de la biomasse. Sur le papier, il est possible d’utiliser de la biomasse, comme du bois, pour produire de l’hydrogène avec des réactions chimiques proches de la production d’hydrogène à partir de charbon. Mais, les sources que j’ai parcourues semblent s’accorder sur le fait
que les ressources de biomasse, limitées par nature, seront plus pertinentes dans d’autres secteurs vitaux de la transition énergétique que pour la production d’hydrogène. Et comme je sais que la question va revenir dans les commentaires… oui il faudrait un jour que je fasse une vidéo sur la biomasse… un sujet que je connais encore très peu aujourd’hui. Il me reste donc à vous parler du craquage du méthane et des cycles thermochimiques. Une approche prometteuse pour produire de l’hydrogène serait de casser du méthane à très haute température on parle alors de craquage du méthane. Contrairement à la réaction de vaporeformage du méthane, le craquage permet de casser la molécule de méthane sans produire de CO2. On obtient alors d’un côté du dihydrogène à partir
de l’hydrogène contenu dans le méthane et de l’autre côté du carbone solide: du noir de carbone. Le noir de carbone est utilisé par l’industrie, pour une part importante dans les pneus mais également dans des plastiques ou dans les encres. Aujourd’hui, la production de noir de carbone se fait par combustion incomplète de ressources fossiles et est responsable de l’émission d’environ 30 millions de tonnes de CO2 par an. Produire de l’hydrogène par craquage du méthane permettrait de produire de l’hydrogène en évitant des émissions directes et du noir de carbone qui éviterait les émissions de CO2 liées à la façon dont on le produit aujourd’hui. Aujourd’hui, cette réaction de craquage de méthane est d’ailleurs plus intéressante d’un point de vue économique pour la production de noir de carbone que d’hydrogène.
Malheureusement, le craquage du méthane nécessite du méthane et ne va donc rien changer aux émissions indirectes liées à l’extraction et au transport du méthane. Cette réaction reste intéressante si la source de chaleur utilisée pour craquer le méthane est une source bas carbone, par exemple si on utilise de l’électricité provenant de renouvelables ou du nucléaire. Dans ce cas là, l’avantage par rapport à l’électrolyse, c’est qu’on utilise six fois moins d’électricité. Et, l’avantage par rapport au vaporeformage est de produire du carbone solide au lieu du CO2 et d’utiliser tout le méthane pour produire de l’hydrogène alors que dans la réaction de vaporeformage,on a vu que une partie du méthane est utilisée pour monter en température le réacteur.
Il existe un prototype industriel produit par Monolith Materials et basé sur une technologie française développée au Centre Persée de Mines ParisTech. Une usine est également en construction et produira 4 600 tonnes d’hydrogène par an, ce qui reste très faible devant la production actuelle qui s’élève à 78 millions de tonnes d’hydrogène par an. C’est donc une voie très peu utilisée mais qui est sortie du laboratoire.
Du coup j’ai pas bien compris… ce noir de carbone, il devient quoi au final il reste comme cela pour toujours ? Il finit sous forme de CO2 dans l’atmosphère ? Il se passe quoi? C’est dur à dire parce que ça dépend de ce qui lui arrive. Si il se retrouve enfoui dans le sol, c’est une forme de carbone solide plutôt stable donc il peut y rester très longtemps mais si il est brûlé directement ou que les produits dans lesquels ce noir de carbone serait incorporé sont brûlés…ben le carbone finit dans l’atmosphère sous forme de CO2. Mais, même dans ce cas là , cela permettrait au moins d’éviter les émissions de CO2 qui sont aujourd’hui induites par la production de noir de carbone. Pour la production de noir de carbone et du point de vue du climat , cette technologie est bien plus intéressante que les procédés existants. Le déploiement de cette technologie pour répondre à la demande en noir de carbone devrait être encouragé parce que ça induirait une réduction des émissions de CO2. Si on produisait tout le noir de carbone avec cette
technologie, on coproduirait cinq millions de tonnes d’hydrogène soit 7 % de la production annuelle dédiée d’hydrogène. Déployer cette technologie au-delà de ce qui est nécessaire pour couvrir la production de noir de carbone soulève des questions un peu plus complexes mais, d’ici là, on a le temps de voir venir. Donc ton truc du craquage, c’est une technique qui permet de casser le méthane en utilisant de la chaleur mais du coup on ne peut pas faire pareil pour l’eau ? Genre casser l’eau ? Pour casser la molécule d’eau il faut apporter de l’énergie, c’est déjà ce qu’on fait quand on fait l’électrolyse de l’eau, on apporte de l’énergie sous forme d’électricité. Mais, effectivement, on pourrait également apporter cette énergie sous forme de chaleur ! On parle alors de craquage thermique ou thermolyse. Le problème, c’est qu’il faut atteindre une très haute température, autour de 2500°C, pour le faire de façon un peu efficace . Ce qui fait que cette approche est très peu envisagée aujourd’hui.
Par contre, l’utilisation de cycles thermochimiques permettrait de produire de l’hydrogène avec de la chaleur à des températures plus basses. Par exemple, l’oxyde de zinc est réduit à haute température,1900°C, en libérant du dioxygène puis hydrolysé à plus basse température, 400°C, pour produire de l’hydrogène. On peut donc produire de l’hydrogène avec de la chaleur à des températures plus basses que ce qu’il faudrait pour casser directement une molécule d’eau. Je donne cet exemple parce qu’il est très simple pour vous donner une idée rapide de la logique de ces cycles thermochimiques. Il existe des centaines de cycles thermochimiques possibles dont certains, plus complexes, permettent de faire des cycles avec une température maximale de 500°C.
L’utilisation de cycles thermochimiques n’est pertinente que pour des sources d’énergie capables de produire de grandes quantités de chaleur avec peu d’émissions de CO2, ça n’a aucun sens de passer par cette voie en utilisant des ressources fossiles ou de l’électricité pour produire la chaleur. Ces cycles thermochimiques sont envisagés pour des centrales nucléaires et pour des centrales solaires à concentration. Petit rappel de la vidéo sur le sujet, dans une centrale solaire à concentration, de hautes températures sont obtenues en concentrant la lumière solaire dans les régions du monde bénéficiant d’un ensoleillement direct important. Cette chaleur permet ensuite de produire de l’électricité. Si on utilisait des cycles thermochimiques, plutôt que de
produire de l’électricité, on utiliserait la chaleur pour produire directement de l’hydrogène. Et ces cycles thermochimiques pourquoi ils sont intéressants ? Aujourd’hui, si on prend une centrale nucléaire ou une centrale solaire à concentration et qu’on les utilise pour produire de l’électricité qu’on utilise ensuite pour faire de l’hydrogène, le rendement n’est pas énorme. A la grosse louche, on va avoir un rendement de 20 à 25%. Si vous avez 100 kWh de chaleur dans votre centrale solaire à concentration ou
votre centrale nucléaire, brûler l’hydrogène obtenu en bout de chaîne vous permettra de dégager 25 kWh de chaleur. Passer par un premier vecteur énergétique, l’électricité, pour en produire un second, l’hydrogène, n’est pas top d’un point de vue physique. En théorie, utiliser des cycles thermochimiques permettraient d’obtenir des rendements plus proches de 50%, à la grosse louche parce qu’il y a des variations importantes entre les cycles thermochimiques envisagés. L’utilisation des cycles thermochimiques permettraient à des centrales nucléaires ou à des centrales solaires à concentration de produire efficacement de l’hydrogène en utilisant directement la chaleur et, donc, sans passer par l’électricité. Et est-ce qu’ on sait faire ça ? Utiliser du nucléaire avec des cycles thermochimiques ? Pour le nucléaire, on parle ici de réacteurs capables de monter bien plus haut en température que ceux qu’on utilise aujourd’hui en France pour la production commerciale d’électricité.
Pour rappel, les réacteurs à eau pressurisée utilisés en France ont une température d’environ 300°C, température insuffisante pour la mise en place de cycles thermochimiques. Un réacteur de petite taille avec des températures compatibles pour une production d’hydrogène est à un stade avancé de sa construction en Chine et des réacteurs expérimentaux de ces technologies ont déjà fonctionné. C’est donc une voie technologique qui ne sera pas à l’échelle commerciale l’année prochaine mais qui ne relève pas non plus de la science-fiction. Et pour le solaire à concentration ? on en est où au niveau technologie? Pour une surface donnée utiliser du solaire à concentration sans passer par l’électricité permettrait de produire plus d’hydrogène qu’en passant par l’électricité ou en déployant des panneaux photovoltaïques. Bref, c’est une approche très intéressante
et il existe déjà des prototypes qui ont produit de l’hydrogène par des cycles thermochimiques comme le projet hydrosol en Espagne. Les cycles thermochimiques pourraient donc avoir des applications plus rapides et plus larges en étant couplées à des technologies de solaire à concentration qui sont moins polémiques et déjà plus avancées qu’avec des nouvelles technologies de réacteurs nucléaires dont le déploiement est plus incertain. Même en prenant en compte les émissions indirectes, la voie technologique des cycles thermochimiques est une des moins émettrices de CO2, au même niveau qu’une électrolyse qui se ferait entièrement avec des moyens renouvelables ou du nucléaire. Tout en le faisant, possiblement, pour moins cher… même si ça reste difficile à affirmer parce qu’on est sur des technologies encore assez loin d’un déploiement commercial à grande échelle. Si l’utilisation de chaleur provenant du nucléaire ou du solaire à concentration est intéressante dans les cycles thermochimiques, elle peut aussi aider ailleurs, y compris, et ça peut être contre-intuitif pour la production d’hydrogène à partir de ressources fossiles.
On avait dit que pour la gazéification du charbon ou pour le vaporeformage du méthane que je vous remontre ici, les ressources fossiles servaient de réactif et de combustible. Mais, on pourrait produire la chaleur autrement qu’en brûlant des ressources fossiles. Si on utilise du nucléaire ou du solaire à concentration pour cette production de chaleur, il y aurait un double avantage. D’abord, le méthane ne sert plus de combustible mais uniquement de réactif. Ce qui veut dire qu’on peut faire davantage d’hydrogène avec une quantité donnée de méthane et donc qu’on diminue les émissions de CO2 liées à cette production d’hydrogène.
De plus, si on a plus de gaz de combustion dans lequel le CO2 est dilué et pénible à extraire, la capture et séquestration de carbone s’en voit considérablement facilitée et on peut capturer la quasi-totalité du CO2 produit à un coût plus faible que dans beaucoup d’autres industries. Et ce n’est même pas les seules utilisations qu’on peut avoir d’une source de chaleur pour produire de l’hydrogène Il existe également une technologie d’électrolyseur qui n’est intéressante que si elle possède une source extérieure de chaleur. C’est une technologie récente et encore peu développée mais prometteuse. Cette technologie d’électrolyse à haute température pourrait donc déplacer la production d’hydrogène envisagée aujourd’hui en utilisant principalement de l’électricité vers des systèmes mixtes disposant d’une source de chaleur externe et donc, probablement, du solaire à concentration ou du nucléaire. Et est-ce qu’il y a d’autres moyens de production qu’on n’a pas abordés dans cette vidéo? Il y a beaucoup d’autres approches qui me paraissent moins matures, moins prometteuses ou sur lesquelles j’ai trop peu d’informations. Il y a par exemple des recherches sur la production d’hydrogène à partir d’algues ou de microorganismes. Mais parmi la myriade d’idées
pour produire de l’hydrogène, seule une poignée atteindra une échelle industrielle. D’ailleurs on est déjà, en 2020, à la quatrième vague d’engouement pour l’hydrogène. Alors, peut-être que vous regardez cette vidéo en 2040 alors que les voies thermochimiques relancent une cinquième vague d’intérêt pour l’hydrogène. Attends tu es en train de dire que l’hydrogène c’est pas un sujet nouveau ? Non. Le rapport de l’AIE note qu’il y a déjà eu trois vagues d’intérêt pour l’hydrogène, dans les années 70, 90 et 2000. Ces vagues avaient différentes motivations
et n’ont pas tablé sur les mêmes technologies. Mais ces trois vagues ont échoué malgré des investissements conséquents. La question de l’hydrogène n’a rien d’une problématique nouvelle et rien ne dit que cette quatrième vague d’engouement soit la dernière. Dans la suite de la série, on essaiera de comprendre ce que peut apporter l’hydrogène pour la transition énergétique, ce qui nous amènera, comme souvent, à relativiser certains discours très tranchés qu’on peut entendre sur cette question. Et en parlant de discours, je vais toucher quelques mots des différentes couleurs de l’hydrogène auxquels vous pouvez être confrontés. Donc maintenant l'hydrogène a une couleur, je crois que j’ai raté un truc ! L’hydrogène est un gaz transparent mais vous risquez d’être confronté à différentes couleurs parce que certains communicants utilisent des couleurs pour qualifier la façon dont on l’a produit.
Marron, gris et noir désignent de l’hydrogène produit à partir de ressources fossiles. Mais si on ajoute de la capture et séquestration de carbone, on parle d’hydrogène bleu. Le vert désigne l’hydrogène produit à partir de moyens renouvelables, notamment par électrolyse. Le turquoise désigne l’hydrogène produit par craquage du méthane. L’hydrogène produit
à partir d’énergie nucléaire se voit associé à la couleur jaune en français mais a la couleur violette ou rose dans d’autres pays. ça n’engage que moi mais je pense que ces petites gommettes colorées ne servent pas à grand-chose et je vous invite même à vous méfier des discours qui utilisent ces couleurs. J’espère que cette vidéo vous aidera au moins à comprendre ce qu’il y a derrière ces différentes technologies. Il est à mon avis préférable de parler des émissions de CO2 associées à la production d’hydrogène. On peut mettre une limite quelque part et parler d’hydrogène bas carbone en dessous de cette limite. Dans l’hydrogène bas carbone, on trouverait logiquement la production fossile associée à de la capture et séquestration de carbone, le craquage du méthane et l’électrolyse à partir de moyens renouvelables et nucléaires. Pour
ceux qui veulent exclure fossile et nucléaire, on peut créer une catégorie hydrogène renouvelable en plus de la catégorie hydrogène bas carbone. Ces deux étiquettes me paraissent plus utiles et transparentes qu’une multitude de couleurs. Dans cette vidéo on a vu que l’hydrogène était un sujet complexe connecté à de nombreux autres sujets dont certains déjà traités ailleurs sur cette chaîne. J’essaye de faire de mon mieux pour être votre guide dans cette jungle mais c’est un sacré bordel et vous en conviendrez sûrement. L’hydrogène est à la fois un sujet en tant que réactif largement utilisé dans l’industrie et en tant que vecteur énergétique, deux aspects pour lesquels on devra utiliser deux logiques différentes pour les analyser. Il est déjà utilisé dans de grandes quantités
par l’industrie mais est produit, pour plus de 99%, à partir de ressources fossiles, principalement gaz naturel mais également charbon, en rejetant des quantités importantes de CO2. Il existe de nombreuses voies alternatives pour produire l’hydrogène. Les deux voies les plus matures sur lesquelles se construisent le déploiement de la production d’hydrogène bas carbone des prochaines années sont l’ajout de procédés de capture et séquestration de carbone à la production à partir de ressources fossiles et l’électrolyse de l’eau en utilisant une électricité bas carbone d’origine renouvelable ou nucléaire. Ce sont ces deux voies qui sont omniprésentes dans les rapports et les analyses donc c’est sur celles-là qu’on se concentrera dans les prochaines vidéos.
D’autres voies sont prometteuses et il faudra les garder à l’oeil, notamment le craquage du méthane qui produirait une réduction intéressante des émissions de CO2 si ça devient la voie privilégiée pour produire du noir de carbone et les voies utilisant une source externe de chaleur pour obtenir des rendements plus intéressants que de l’électrolyse reposant uniquement sur l’électricité. Si il est impossible de savoir si ces voies technologiques auront une importance pour la production de l’hydrogène à l’avenir, je pense qu’il était important d’en parler parce que ces technologies semblent prometteuses pour produire efficacement de grandes quantités d’hydrogène bas carbone. Si ces voies se développent à l'avenir, on aura sans doute l’occasion d’en reparler sur la chaîne. Je ne fais ici qu’ouvrir un sujet qui va nous occuper probablement pour trois vidéos.
Je pense qu’il y a des choses très importantes à comprendre autour de l’électrolyse de l’eau qui est la voie à laquelle on va être médiatiquement et politiquement le plus exposé. Vu que des sommes importantes d’argent public vont être investies dans cette voie, on essayera d’en comprendre les enjeux dans la prochaine vidéo. Même si ça peut changer d’ici là, j’envisage ensuite une vidéo sur l’hydrogène en tant que réactif et sur les usages industriels et une dernière sur l’hydrogène en tant que vecteur énergétique. Voilà. Merci à tous d’avoir regardé cette vidéo. J’espère qu’elle
2021-01-04 21:30
