La production d’hydrogène : un enjeu pour la transition énergétique

L’hydrogène n’est pas une énergie primaire, comme le pétrole ou le charbon, mais un vecteur énergétique. Cela signifie qu’il doit être, comme l’électricité, produit à partir d’une source d’énergie.

Le dihydrogène (H₂) est présent dans de nombreuses molécules terrestres : principalement dans l’eau (H₂O), mais aussi dans les hydrocarbures comme le méthane (CH₄). Pour produire de l’hydrogène, il faut donc séparer le dihydrogène des autres atomes constituant la molécule : l’oxygène dans l’eau et le carbone dans le méthane.

L’hydrogène étant l’élément le plus répandu dans l’univers, c’est une énergie renouvelable intéressante pour la transition énergétique. Toutefois, sa production peut être source de pollution, c’est pourquoi les politiques actuelles encouragent les modes de production d’hydrogène décarboné.

Aujourd’hui, la production mondiale d’hydrogène se fait principalement par vaporeformage du gaz naturel. Cette technique consiste à faire réagir le méthane avec de la vapeur d’eau à haute température. Bien qu’efficace pour produire de l’hydrogène à partir de méthane, le vaporeformage présente l’inconvénient de rejeter des gaz à effet de serre.

Deux pistes sont toutefois étudiées pour rendre le vaporeformage moins polluant :

• Des techniques pour piéger le dioxyde de carbone (CO₂) et le valoriser : le CSCV (captage et stockage ou utilisation du carbone).

•  Le reformage de biogaz en remplacement du gaz naturel.

Ces solutions ne sont toutefois pas encore appliquées à grande échelle. C’est pourquoi, bien que l’usage de l’hydrogène puisse être considéré comme propre, sa production actuelle ne l’est pas encore.

Cet état de fait est toutefois amené à changer. Fin 2020, le gouvernement français a présenté sa stratégie nationale pour le développement de l'hydrogène décarboné. Le premier objectif de ce plan hydrogène est de décarboner l’industrie, qui est aujourd’hui le premier consommateur d’hydrogène en France. Le second est la décarbonation de la mobilité lourde (camions, trains, avions…) grâce à l’usage de la pile à combustible.

Bien que le coût de production de l’hydrogène décarboné soit aujourd’hui plus élevé, les acteurs de la filière hydrogène travaillent à abaisser le coût de fabrication pour pouvoir proposer un hydrogène à prix compétitif. Pour cela, la France mise sur le déploiement à grande échelle du procédé de fabrication d’hydrogène par électrolyse de l’eau.

Produire de l’hydrogène par électrolyse consiste à décomposer les molécules de l’eau ( H₂O) en dioxygène (O₂) et dihydrogène ( H₂) grâce à un courant électrique. C’est aujourd’hui la solution la plus encouragée pour produire de l’hydrogène décarboné.

Cette technique présente plusieurs avantages :

• Encourager un mix énergétique plus diversifié

L’électrolyse s’effectue à partir d’eau et d’électricité. Si cette dernière est d’origine nucléaire ou renouvelable, on remplace alors totalement les sources d’énergie d’origines fossiles. Ce mode de production d’hydrogène permet d’envisager un mix énergétique plus diversifié, plus local et moins carboné.

• Produire de l’hydrogène décarboné

Contrairement aux méthodes de production d’hydrogène à partir de méthane, l’électrolyse n’émet pas de CO₂ et a donc moins d’impact sur l’environnement. Si l’électricité utilisée est d’origine renouvelable, on peut donc considérer l’hydrogène produit comme une énergie propre.

• Permettre le pilotage de l’électricité renouvelable

L’électricité renouvelable, produite par exemple grâce au photovoltaïque ou aux éoliennes, est confrontée à un souci de pilotage. En effet, puisqu’elle dépend d’éléments naturels non contrôlables (le soleil et le vent), sa production ne peut pas être adaptée aux besoins de consommation en temps réel. Pour éviter les déperditions d’énergie en été et assurer l’approvisionnement en hiver, il est donc nécessaire de pouvoir stocker l’excédent. Or l’électricité ne peut pas être stockée en grande quantité et sur le long terme.

C’est sur ce point que l’électrolyse apporte une solution intéressante. En fabricant de l’hydrogène à partir d’énergie solaire ou éolienne, on valorise les excédents d’électricité qu’on peut ensuite stocker ou injecter dans le réseau de gaz. C’est cette boucle vertueuse qui permet de parler de production d’hydrogène vert dans le cas de l’électrolyse. Par la suite, il est également possible de produire de l’électricité avec de l’hydrogène afin de répondre à la demande lors des pics de consommation.

Chez Teréga, plusieurs projets d’études sont en cours avec des partenaires sur la production d’hydrogène à partir du photovoltaïque. En tant qu’opérateur d’infrastructures, nous étudions les capacités d’injection d’hydrogène dans notre réseau de transport de gaz, ainsi que les possibilités de stockage. Ces phases de test nous permettent de maîtriser les risques liés à l’hydrogène et de participer au développement d’un réseau hydrogène français et européens. Nous participons ainsi à l’initiative de la Dorsale hydrogène européenne (European Hydrogen Backbone) pour construire ce réseau avec d’autres gestionnaires d’infrastructures de transport de gaz européens.

Une autre piste est étudiée pour produire de l’hydrogène décarboné : la pyrogazéification des déchets. Cette solution présente un fort intérêt pour favoriser une logique d’économie circulaire, puisqu’elle serait applicable à de nombreux déchets aujourd’hui non valorisés.

• Les déchets éligibles à la pyrogazéification

Contrairement à la méthanisation qui repose sur la fermentation de déchets organiques pour produire du biométhane, la pyrogazéification peut s’appliquer à des déchets peu fermentescibles. Ces deux procédés de valorisation des déchets sont donc complémentaires.

Il est ainsi possible de produire de l’hydrogène à partir de biomasse : des résidus de bois et de cultures, des fumiers de volailles, des résidus de l’industrie agro-alimentaire… D’autres types de déchets peuvent également être utilisés, comme les combustibles solides de récupération (CSR), les pneus usagés, ou encore les boues d’épuration.

• La méthode de production d’hydrogène par pyrogazéification

Produire de l’hydrogène par pyrogazéification consiste à faire chauffer les déchets à haute température (plus de 1000°C) en présence d’une faible quantité d’oxygène. Cette technique permet de convertir les déchets en un gaz de synthèse, aussi appelé syngaz, composé principalement de monoxyde de carbone CO et d’hydrogène H₂. L’hydrogène peut ensuite être utilisé après épuration ou bien converti en méthane de synthèse, afin d’être injecté dans le réseau de gaz.