Pourquoi l’hydrogène est émetteur de CO2

Cet article fait par­tie du numé­ro de notre maga­zine Le 3,14 dédié à l’hy­dro­gène. Décou­vrez-le ici

L’hydrogène gris

Par « hydro­gène gris », on entend l’hydrogène pro­duit à par­tir de com­bus­tibles fos­siles. C’est le mode de pro­duc­tion qui est, de très loin, le plus employé pour pro­duire l’hydrogène aujourd’hui. C’est aus­si celui qui pré­sente le bilan car­bone le plus défavorable.

Loin de son poten­tiel futur comme vec­teur d’énergie, l’hydrogène sert actuel­le­ment sur­tout de matière pre­mière dans l’industrie, que ce soit dans le raf­fi­nage pétro­lier pour l’hydrocraquage et la désul­fu­ra­tion des car­bu­rants (envi­ron 44 % de la demande), dans la syn­thèse d’ammoniac pour les engrais azo­tés (38 %), pour la pro­duc­tion de cer­tains pro­duits chi­miques (8 %), ou encore dans l’industrie ali­men­taire et diverses autres appli­ca­tions (10 %). Ces besoins, qui repré­sentent 75 mil­lions de tonnes d’hydrogène par an à l’échelle mon­diale, sont donc cou­verts à 48 % par le pro­cé­dé de refor­mage du gaz natu­rel, à 30 % à par­tir d’hydrocarbures pétro­liers et à 18 % par gazéi­fi­ca­tion du char­bon. Cette pro­duc­tion s’accompagne de l’émission d’un mil­liard de tonnes de CO₂ chaque année. L’électrolyse de l’eau, beau­coup moins car­bo­née – mais tout dépend du mix élec­trique uti­li­sé – couvre à ce jour moins de 5 % de la demande. 

Pour­quoi les com­bus­tibles fossiles ?

Dans tous les cas, la fabri­ca­tion d’hydrogène passe par la décom­po­si­tion de la molé­cule d’eau, une opé­ra­tion qui demande une grande quan­ti­té d’énergie : 121 méga­joules pour pro­duire 1 kg d’hydrogène. Dans les pro­cé­dés conven­tion­nels, une par­tie de cette éner­gie est appor­tée par la réac­tion d’un com­bus­tible avec de la vapeur d’eau à haute tem­pé­ra­ture. Le mélange de com­bus­tible et d’eau est alors conver­ti par la réac­tion de refor­mage, en un mélange de monoxyde de car­bone (CO) et d’hydrogène. Cette opé­ra­tion demande néan­moins l’apport d’un com­plé­ment d’énergie, qui est appor­té par la com­bus­tion de fuel ou de gaz afin de main­te­nir le réac­teur de refor­mage à la bonne tem­pé­ra­ture opé­ra­tion­nelle. Après cette pre­mière étape, il est néces­saire de recou­rir à une opé­ra­tion de « water gas shift » (réac­tion du gaz à l’eau) afin de conver­tir le CO, très toxique, en CO₂ par réac­tion avec de la vapeur d’eau à moyenne température.

Au bilan, on constate que du CO₂ est géné­ré en grande quan­ti­té aux dif­fé­rentes étapes du pro­cé­dé : conver­sion du CO issu du refor­meur, com­bus­tion de fuel pour la pro­duc­tion de vapeur et pour l’apport éner­gé­tique dans le refor­meur. Pour chaque tonne d’hydrogène pro­duite, ce sont ain­si près de 12 tonnes de CO₂ qui sont libé­rées dans l’atmosphère. 

Si le refor­mage des com­bus­tibles fos­siles reste, mal­gré son bilan car­bone exé­crable, le pro­cé­dé le plus uti­li­sé, c’est en rai­son d’un avan­tage déci­sif en matière de coûts. L’hydrogène issu du refor­mage de gaz natu­rel en grand volume coûte envi­ron 1,5 €/kg, là où celui pro­duit par élec­tro­lyse de l’eau revient à 6 €/kg. Notons néan­moins que, même au coût le plus bas, l’hydrogène revient encore 3 fois plus cher que le gaz natu­rel à quan­ti­té d’énergie équivalente.

En plus des pro­blèmes de prix de revient et d’émissions de GES, l’hydrogène souffre de capa­ci­tés de pro­duc­tions encore très insuf­fi­santes pour repré­sen­ter à ce jour une solu­tion viable pour la tran­si­tion éner­gé­tique. En effet, si elle était consa­crée inté­gra­le­ment à la conver­sion d’énergie, la pro­duc­tion mon­diale actuelle d’hydrogène cou­vri­rait à peu près 214 Mtep (mil­lions de tonnes équi­valent pétrole). Or, la demande mon­diale annuelle d’énergie est de 14,5 Gtep (mil­liards de tep). Ain­si, il fau­drait accroître la pro­duc­tion d’un fac­teur 14 pour que l’hydrogène puisse cou­vrir 20 % de la consom­ma­tion éner­gé­tique mon­diale. Pour que cela ait un sens, il est évident que cela ne pour­ra pas se faire avec de l’hydrogène gris !

Conver­sion éner­gé­tique de l’hydrogène

On par­le­ra donc ici de conver­sion éner­gé­tique d’hydrogène d’origine renou­ve­lable de pré­fé­rence. L’hydrogène est un com­po­sé très ver­sa­tile, qui peut être conver­ti en éner­gie de dif­fé­rentes manières :

- Sous forme ther­mo­chi­mique, par réac­tion avec des réac­tifs appro­priés. On obtient alors une éner­gie poten­tielle, aisé­ment sto­ckable sur de longues durées et uti­li­sable à la demande. Par le pro­cé­dé Saba­tier, en uti­li­sant du CO₂ comme réac­tif, on obtient du méthane syn­thé­tique qui peut ensuite ser­vir de com­bus­tible pour l’industrie et les trans­ports ou être injec­té dans les réseaux. Ce concept est connu sous le vocable « power to gas », dans le cas où l’hydrogène uti­li­sé pro­vient de l’électrolyse de l’eau. Par le pro­cé­dé Fischer-Tropsch, on obtient des com­bus­tibles liquides (« power to liquids »). Par le pro­cé­dé Haber-Bosch on obtient, en com­bi­nant l’hydrogène avec l’azote de l’air, de l’ammoniac faci­le­ment sto­ckable et qui peut lui-même ser­vir de combustible.

- Sous forme de cha­leur et de tra­vail méca­nique, par com­bus­tion dans l’air ou avec l’oxygène pur. C’est notam­ment le prin­cipe du moteur-fusée, uti­li­sé sur cer­tains étages des fusées Ariane. Cette solu­tion fait par­tie des moyens envi­sa­gés pour pro­pul­ser les futurs avions à hydro­gène. L’hydrogène peut éga­le­ment être addi­tion­né en quan­ti­té limi­tée aux com­bus­tibles conven­tion­nels, dans les réseaux de gaz natu­rel ou pour ali­men­ter les moteurs à com­bus­tion interne.

- Sous forme de cha­leur et de tra­vail élec­trique, par oxy­da­tion ména­gée dans une pile à com­bus­tible (PàC). Il existe aujourd’hui une grande varié­té de tech­no­lo­gies de PàC, cer­taines très matures, d’autres tout juste par­ve­nues au stade com­mer­cial, d’autres enfin, encore en déve­lop­pe­ment. L’un des enjeux majeurs est d’optimiser le ren­de­ment élec­trique des PàC, qui se limite aux alen­tours de 60–65 % dans le meilleur des cas. Cela signi­fie que seule 60 à 65 % de l’énergie ther­mo­chi­mique trans­por­tée par le com­bus­tible est effec­ti­ve­ment conver­tie en tra­vail élec­trique, le reste étant per­du sous forme de cha­leur. Si cette cha­leur est pro­duite à basse ou moyenne tem­pé­ra­ture (< 500 °C par exemple), elle est dif­fi­ci­le­ment valo­ri­sable, alors que la cha­leur pro­duite à haute tem­pé­ra­ture (entre 700 et 1000 °C) peut être conver­tie en tra­vail méca­nique avec une bonne effi­ca­ci­té. C’est tout l’enjeu des piles à com­bus­tible à car­bo­nates fon­dus (MCFC) ou à oxydes solides (SOFC). Quoique pro­met­teuses pour cer­taines appli­ca­tions – fixes en géné­ral – ces tech­no­lo­gies haute tem­pé­ra­ture en sont encore à un stade pré­coce de leur déve­lop­pe­ment. Les PàC les plus employées sont celles à élec­tro­lyte liquide (solu­tion alca­line ou acide) et à mem­branes échan­geuses de pro­tons (PEMFC pour « pro­ton exchange mem­brane fuel cell »), qui tra­vaillent à des tem­pé­ra­tures modé­rées. Les PàC pour la mobi­li­té appar­tiennent pour l’essentiel cette der­nière tech­no­lo­gie, qui reste néan­moins coû­teuse en rai­son des maté­riaux qu’elle uti­lise (mem­brane, cata­ly­seur à base de platine). 

On peut espé­rer que les recherches en cours et le déve­lop­pe­ment d’un mar­ché de masse per­met­tront aux PàC de connaître des pro­grès com­pa­rables à ceux réa­li­sés par les bat­te­ries, en termes de coûts et d’efficacité, et à l’hydrogène de trou­ver sa place dans la tran­si­tion énergétique.