Comment l’hydrogène vert est-il produit ? Un guide pour l’avenir des carburants propres

L'hydrogène vert s'impose rapidement comme un vecteur énergétique indispensable dans la transition mondiale vers un avenir durable. En tant que carburant propre et neutre en carbone, il détient la clé de la décarbonisation des secteurs les plus difficiles de notre économie, de l'industrie lourde au stockage saisonnier de l'énergie en passant par le transport longue distance.

Pour les propriétaires fonciers, les investisseurs et les gouvernements, comprendre comment l'hydrogène vert est produit est la première étape pour capitaliser sur les immenses opportunités qu'il présente. Pour en apprécier l'importance, il faut d'abord comprendre le "spectre de couleur de l'hydrogène", une abréviation utilisée par l'industrie pour classer l'hydrogène en fonction de son mode de production.

Hydrogène vert : L'étalon-or. Il est produit par électrolyse de l'eau alimentée exclusivement par des énergies renouvelables telles que le solaire et l'éolien. Le processus est entièrement exempt de carbone.

Hydrogène gris : Le titulaire du marché. C'est ainsi que plus de 95 % de l'hydrogène est produit aujourd'hui, en utilisant du gaz naturel dans un processus à forte intensité de carbone appelé reformage du méthane à la vapeur (SMR).

Hydrogène bleu : Une étape transitoire. Il s'agit d'hydrogène gris, mais dont une grande partie des émissions de carbone sont capturées et stockées sous terre. Il s'agit d'une solution "à faible teneur en carbone", mais pas à teneur nulle en carbone.

Si ces codes de couleur constituent un point de départ utile, l'industrie s'oriente vers une mesure plus précise : l'intensité carbonique, qui mesure les émissions de la production sur l'ensemble du cycle de vie. Cela permet de s'assurer que lorsque nous parlons de "vert", nous faisons référence à un processus véritablement propre du début à la fin. Ce guide offre une vue d'ensemble de la fabrication d'un véritable hydrogène vert.

La pierre angulaire de la production d'hydrogène vert est un processus bien établi connu sous le nom d'électrolyse de l'eau. Cette technique électrochimique utilise l'électricité pour diviser l'eau (H2O) en ses composants fondamentaux : l'hydrogène (H2) et l'oxygène (O2).

L'ensemble de la réaction se déroule à l'intérieur d'un dispositif appelé électrolyseur. L'électrolyseur ressemble à une batterie fonctionnant à l'envers. Il se compose de deux électrodes - une anode positive et une cathode négative - séparées par un milieu conducteur appelé électrolyte.

Le processus se déroule en quelques étapes simples. L'eau est introduite dans l'électrolyseur et un courant électrique direct provenant d'une source renouvelable, comme un parc solaire ou éolien, est appliqué. Ce courant fournit l'énergie nécessaire pour rompre les fortes liaisons chimiques des molécules d'eau, en les séparant en hydrogène et en oxygène gazeux.

L'équation chimique globale est simple mais profonde :

Il en résulte de l'hydrogène gazeux d'une grande pureté. Pour que le carburant soit certifié "vert", l'électricité qui alimente l'ensemble du processus doit être produite à partir de sources 100 % renouvelables.

L'efficacité de ce processus est un facteur critique pour la viabilité économique. Actuellement, l'électrolyse a un rendement maximal de 80 %, ce qui signifie qu'au moins 20 % de l'énergie électrique utilisée est perdue sous forme de chaleur. La production d'un kilogramme d'hydrogène nécessite environ 50 à 60 kWh d'électricité, ce qui fait de la consommation d'énergie le coût opérationnel le plus important. Pour les investisseurs, cela signifie que l'efficacité électrique d'un électrolyseur est tout aussi importante que son coût d'investissement initial.

Bien que le principe de l'électrolyse soit le même, il existe plusieurs types distincts de technologies d'électrolyse. Le choix de la technologie est une décision stratégique qui détermine le coût, la performance et l'application idéale d'un projet.

L'électrolyse alcaline est la technologie la plus mature et la plus largement déployée. Elle utilise une solution alcaline liquide comme électrolyte et s'appuie sur des matériaux abondants et peu coûteux comme le nickel.

Avantages : Fiabilité éprouvée, longue durée de vie opérationnelle et coût d'investissement le plus bas.

Inconvénients : Moins efficace que les solutions plus récentes, elle a un temps de réponse plus lent, ce qui la rend moins adaptée aux fluctuations de la production d'énergie solaire et éolienne.

Cas d'utilisation idéal : Installations centralisées de production d'hydrogène à grande échelle, connectées à une source d'énergie renouvelable stable, comme un barrage hydroélectrique.

L'électrolyse PEM est une approche plus moderne qui utilise une membrane polymère solide comme électrolyte.

Avantages : Rendement énergétique plus élevé, conception compacte et temps de réponse rapide. Grâce à cette flexibilité, les électrolyseurs PEM sont parfaitement adaptés à la nature intermittente de l'énergie éolienne et solaire, ce qui leur permet de produire de l'hydrogène lorsque l'électricité est la moins chère.

Inconvénients : Le principal inconvénient est un coût d'investissement plus élevé en raison de la nécessité d'utiliser des catalyseurs coûteux à base de métaux précieux tels que le platine et l'iridium.

Cas d'utilisation idéal : Les projets qui associent directement la production d'hydrogène à des sources d'énergie renouvelables variables afin de tirer parti de l'électricité à bas prix et de fournir des services précieux d'équilibrage du réseau.

La technologie SOEC fonctionne à des températures extrêmement élevées (500-1000°C) pour diviser la vapeur plutôt que l'eau liquide.

Avantages : Le rendement électrique le plus élevé de tous les électrolyseurs. En utilisant la chaleur comme source d'énergie, les SOEC peuvent être jusqu'à 26 % plus efficaces que les autres types d'électrolyseurs, en particulier lorsqu'ils sont intégrés à des procédés industriels qui génèrent de la chaleur résiduelle à haute température.

Inconvénients : Il s'agit d'une technologie naissante qui présente des défis liés à la dégradation des matériaux et à une durée de vie opérationnelle limitée en raison des températures élevées.

Cas d'utilisation idéal : Colocalisation d'une usine d'hydrogène avec une installation industrielle qui produit un flux constant de chaleur résiduelle, comme une aciérie ou une usine d'ammoniac.

L'AEM est la technologie la plus récente, qui vise à combiner les meilleurs attributs de l'AEL et du PEM.

Avantages : L'objectif est d'atteindre les faibles coûts de matériaux de l'AEL (en utilisant des métaux non précieux) tout en conservant la flexibilité opérationnelle et la conception compacte de la PEM.

Inconvénients : En tant que technologie émergente, les systèmes AEM sont encore confrontés à des problèmes de durabilité et de performance à long terme.

Cas d'utilisation idéal : En cas de succès, l'AEM pourrait devenir une technologie perturbatrice et rentable convenant à un large éventail d'applications.

Ce tableau donne un aperçu concis des principales caractéristiques, en présentant des informations complexes sous une forme simplifiée. En facilitant la comparaison des options, il aide les promoteurs et les investisseurs à évaluer les opportunités, les risques et les avantages potentiels et, en fin de compte, à prendre des décisions bien informées avec une plus grande confiance.

Cette comparaison révèle une tension stratégique fondamentale : le compromis entre le faible coût et la maturité de l'AEL et les performances élevées et la flexibilité du PEM. La SOEC et l'AEM représentent des voies distinctes pour résoudre ce dilemme, la SOEC se concentrant sur des applications de niche à haut rendement et l'AEM visant à être une solution "optimale pour les deux mondes", bien qu'avec un risque technologique plus élevé.

Si l'électrolyse est la méthode dominante aujourd'hui, les chercheurs explorent activement les technologies de la prochaine génération qui pourraient révolutionner le domaine en créant un processus plus direct, en une seule étape, de la source renouvelable à l'hydrogène. Il s'agit notamment des technologies suivantes

Le fractionnement photoélectrochimique de l'eau (PEC) : Utilisation de matériaux semi-conducteurs qui absorbent la lumière du soleil et divisent l'eau directement, imitant ainsi la photosynthèse.
Le fractionnement thermochimique de l'eau : Utilisation de la chaleur à haute température provenant de l'énergie solaire concentrée pour entraîner des réactions chimiques qui libèrent de l'hydrogène à partir de l'eau.

Si elles sont commercialisées, ces voies pourraient réduire considérablement la complexité et le coût de l'infrastructure de l'hydrogène vert, ce qui en fait un domaine essentiel pour la recherche et l'investissement à long terme.

La transition vers une économie mondiale de l'hydrogène vert se heurte à plusieurs obstacles importants qui nécessitent un effort concerté.

Le premier obstacle est le coût. L'hydrogène vert est actuellement plus cher que l'hydrogène gris, bien que des initiatives mondiales telles que le "Hydrogen Shot" du ministère américain de l'énergie visent à réduire les coûts de 80 % pour atteindre 1 dollar par kilogramme en l'espace d'une décennie. Parmi les autres défis, citons la nécessité de mettre en place une infrastructure massive pour le stockage et le transport, ainsi que l'ampleur des nouvelles énergies renouvelables nécessaires pour alimenter les électrolyseurs.

Cela crée un problème classique de "poule et œuf" : les investisseurs hésitent à financer la production sans garantie d'acheteurs, tandis que les industries sont réticentes à se convertir à l'hydrogène tant qu'un approvisionnement fiable et compétitif en termes de coûts n'est pas disponible. C'est là qu'une politique gouvernementale stratégique et stable est essentielle pour sortir de l'impasse et créer un écosystème viable où l'investissement privé peut prospérer.

Le voyage vers un monde décarbonisé alimenté par de l'hydrogène vert est à la fois un défi monumental et une opportunité sans précédent. La voie à suivre est claire : l'électrolyse alimentée par des énergies renouvelables est la technologie de base.

Chez VIRIDI, nous pensons que le succès passe par la collaboration et l'intégration.

Pour les propriétaires fonciers : Votre terrain est la base. Les propriétés dotées de solides ressources solaires ou éoliennes sont des candidats de choix pour accueillir les projets d'énergie renouvelable qui alimenteront notre avenir, créant ainsi des flux de revenus fiables et à long terme.

Pour les investisseurs : L'hydrogène vert est un marché fondamental de croissance à long terme. Les projets les plus prometteurs intégreront la meilleure production d'énergie renouvelable et la production efficace d'hydrogène dans des régions bénéficiant d'un soutien politique fort.

Pour les gouvernements : Des politiques claires et ambitieuses sont le catalyseur. En se concentrant sur le développement de "centres d'hydrogène" et en créant la demande, les gouvernements peuvent libérer tout le potentiel économique et environnemental de l'hydrogène vert.

L'avenir de l'énergie passe par la construction de systèmes interconnectés. Nous vous invitons à vous associer à nous pour construire un avenir énergétique plus propre, plus résilient et plus prospère.