Sciences · Énergie et technologies
L’hydrogène, vecteur d’énergie
L’hydrogène n’est pas une source d’énergie mais un vecteur : il faut de l’énergie pour le produire. Fabriqué surtout à partir de gaz fossile, il pourrait décarboner l’industrie s’il est produit par électrolyse.
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L'hydrogène est l’élément le plus abondant de l’Univers, mais sur Terre il n’existe presque pas à l’état libre : il est lié à l’oxygène dans l’eau ou au carbone dans les hydrocarbures. Il faut donc le fabriquer, en dépensant de l’énergie, avant de pouvoir l’utiliser. C’est pourquoi on parle de vecteur, comme l’électricité, et non de source d’énergie.
Un gaz très énergétique, mais peu dense
| Propriété | Valeur |
|---|---|
| énergie par kilogramme | environ 33 kWh/kg (120 MJ/kg), près de trois fois l’essence |
| énergie par litre de gaz à pression ambiante | très faible : environ 3 Wh/L |
| stockage | gaz comprimé à 350 ou 700 bars, ou liquide à -253 °C |
| combustion | ne produit que de l’eau, pas de CO₂ |
| sécurité | inflammable dans une large gamme de concentrations, flamme presque invisible, fuites faciles (très petite molécule) |
Le défi est donc moins de produire de l’énergie avec l’hydrogène que de le stocker et le transporter efficacement.
Comment produit-on l’hydrogène ?
| Couleur | Procédé | Émissions |
|---|---|---|
| gris | vaporeformage du gaz naturel (méthane + vapeur d’eau) ou gazéification du charbon | environ 10 kg de CO₂ par kg d’hydrogène, davantage avec le charbon |
| bleu | vaporeformage avec captage et stockage du CO₂ | réduites, selon le taux de captage et les fuites de méthane |
| vert (renouvelable) | électrolyse de l’eau avec de l’électricité renouvelable | très faibles |
| bas carbone | électrolyse avec électricité nucléaire (parfois dit « rose » ou « jaune ») | très faibles |
| naturel (« blanc ») | gisements souterrains | potentiel encore mal connu ; découvertes en Lorraine en 2023 |
Environ 95 % de l’hydrogène produit dans le monde l’est à partir d’énergies fossiles. La production mondiale, de l’ordre de 95 à 100 millions de tonnes par an, émet de l’ordre de 900 millions de tonnes de CO₂ par an, à peu près autant que l’aviation civile mondiale.
L’électrolyse
Un courant électrique traversant de l’eau la décompose en hydrogène et en oxygène : 2 H₂O → 2 H₂ + O₂. Il faut environ 50 à 55 kWh d’électricité par kilogramme d’hydrogène, alors que celui-ci n’en restitue que 33 : une partie de l’énergie est perdue à chaque conversion.
La pile à combustible
La pile à combustible réalise l’inverse de l’électrolyse : l’hydrogène réagit avec l’oxygène de l’air pour produire de l'électricité, de la chaleur et de l’eau, sans combustion. Son principe est découvert par William Grove vers 1839-1842 ; elle alimente les vaisseaux Apollo dans les années 1960. Son rendement électrique est d’environ 50 à 60 %.
À quoi sert l’hydrogène ?
Aujourd’hui, il sert presque uniquement de matière première industrielle :
- raffinage du pétrole (désulfuration des carburants) ;
- fabrication d'ammoniac pour les engrais azotés (procédé Haber-Bosch) ;
- fabrication de méthanol.
Demain, ses usages les plus pertinents sont ceux où l’électricité directe est difficile :
- sidérurgie : réduire le minerai de fer avec de l’hydrogène au lieu du charbon de coke ;
- remplacer l’hydrogène gris existant dans l’industrie ;
- transports lourds : bus, camions longue distance, trains sur lignes non électrifiées, navires (sous forme d’ammoniac ou de méthanol), carburants de synthèse pour l’aviation ;
- stockage saisonnier d’électricité (voir stockage de l’énergie).
Les limites
- Le rendement de la chaîne électricité → hydrogène → électricité ne dépasse guère 30 à 40 %.
- Le coût de l’hydrogène vert reste nettement supérieur à celui de l’hydrogène gris.
- Le transport nécessite des réseaux dédiés ou des conversions (ammoniac, liquéfaction) coûteuses en énergie.
- Les fuites d’hydrogène ont un effet de serre indirect, en prolongeant la durée de vie du méthane dans l’atmosphère.
Questions fréquentes
L’hydrogène est-il une énergie propre ?
Il ne pollue pas à l’usage : sa combustion ou son passage dans une pile ne produisent que de l’eau. Mais il n’est propre que si sa production l’est ; l’hydrogène actuel, issu du gaz fossile, émet beaucoup de CO₂.
Peut-on produire de l’hydrogène avec de l’eau de mer ?
Pas directement de manière efficace : le sel corrode les électrolyseurs et produit du chlore. On dessale d’abord l’eau, ce qui ajoute une étape mais consomme relativement peu d’énergie.
Quelle différence entre hydrogène vert et bleu ?
L’hydrogène vert est produit par électrolyse de l’eau avec de l’électricité renouvelable. Le bleu est produit à partir de gaz naturel, mais une partie du CO₂ émis est captée et stockée sous terre.