Thread by @EmileFulcheri

Thread pédagogique sur le rôle de l'hydrogène dans la transition énergétique.

L’hydrogène (dihydrogène H2) est un gaz léger qui sert comme combustible ou pour fabriquer des molécules de synthèse.
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L’H2 n’est pas extrait de l’environnement comme les énergies fossiles (gaz, pétrole, charbon). Il est aujourd’hui produit à partir de gaz naturel (71%) ou de charbon (27%). Le 1er procédé est le réformage du gaz naturel : CH4 + 2 H2O -> 4 H2 + CO2. Or CO2 = problème.
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Produire 1kg d’H2 rejette 10 kg à à partir de gaz naturel et 19 kg de CO2 à partir de charbon. Le monde consomme 115 millions de tonnes d’H2. Cette consommation rejette près de 2% des émissions mondiales de CO2 (comme le secteur aérien).
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Avant d’être le vecteur d’énergie potentiel du futur, l’H2 est un vecteur d’énergie actuel… dans l’industrie. On utilise de l’H2 pour raffiner le pétrole, fabriquer de l’ammoniac pour les engrais, du méthanol pour des plastiques, pour fabriquer de l’acier entre autres.
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Pour décarboner ces usages industriels, il faut décarboner l’hydrogène. 2 procédés candidats pour ça : l’électrolyse de l’eau et la pyrolyse du méthane. L’électrolyse consomme beaucoup d’électricité pour dissocier chimiquement la molécule d’eau : 2 H2O -> 2 H2 + O2.
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Pour que l’hydrogène produit par électrolyse soit décarboné, il faut donc que l’électricité consommée par le procédé soit décarbonée, donc produite à partir de nucléaire ou d’ENR (hydroélectricité, éolien, PV).
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Le rendement énergétique d’un électrolyseur est proche de 75%. Pour rentabiliser un électrolyseur, lui faut un facteur de charge > à 40%. Pour baisser le coût de l’H2 produit, il faut que l’électricité consommée soit la moins chère possible.
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Pour minimiser le coût de l'électricité, on compte sur la baisse des coûts (LCOE) des ENRi: éolien et PV. Les ENRi ont aussi un coût marginal variable proche de 0 (car pas de fuel). Quand les ENRi produisent au max, les prix de marché baissent.
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Un électrolyseur pourra consommer de l'élec. pendant les 3000 ou 5000 heures de l'année ou la production ENRi est au max, et les prix de marché de l'électricité bas. Cette demande apportera de la flexibilité pour intégrer + d'ENRi dans les mix électriques.
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La demande flexible en électricité de l'électrolyse permettra de gérer la variabilité des ENRi à des échelles de temps trop longues (> jours, semaines) pour le stockage par batterie au lithium adapté pour stocker quelques heures au maximum.
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Il semble que l'électrolyse décolle tranquillement à l'échelle mondiale. 5MW construits entre 2005 et 2009, 40MW entre 2010 et 2014, 95 MW entre 2014 et 2019. L'industrie française a une carte à jouer (Engie, AirLiquide, McPhy, EDF, Total, ...).
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Un autre procédé pour faire de l'H2 sans CO2 est la pyrolyse du méthane. En introduisant du gaz naturel CH4 dans un plasma (gaz plein d’ions) > à 4000 °C, on cracke la molécule de CH4 : CH4 -> C + 2 H2. Pas de CO2 en sortie, pas de problème. A la place, du carbone solide.
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La pyrolyse produit de l’H2 et du carbone solide valorisable pour faire des pneus, du plastiques, des batteries. La pyrolyse par torche plasma a été développé par @PERSEE_MINES. L’entreprise US Monolith Materials construit une usine de taille industrielle dans le Nebraska
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La pyrolyse consomme 6x moins d’électricité que l’électrolyse. Mais elle consomme du gaz naturel fossile (cracké, sans combustion). La pyrolyse est un procédé thermique (hautes températures), l’enjeu sera d’augmenter la taille des usines pour maximiser le rendement.
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L’hydrogène se stocke sous forme liquide, en le comprimant à haute pression ou en le réfrigérant. Pour le stocker ou le transporter en grandes quantités, on peut aussi le convertir en méthane de synthèse ou en ammoniac.
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Une fois que la production d'H2 sera décarbonée, on pourra l’utiliser pour décarboner des usages compliqués à électrifier. Par exemple, convertir la mobilité lourde vers des véhicules électriques à batterie demanderait d’embarquer de trop grosses quantités de batteries.
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On peut convertir l’hydrogène en ammoniac utilisé comme carburant pour les gros bateaux, ou en kérosène paraffinique de synthèse pour les avions. On peut aussi électrifier de gros camions en les électrifiant avec un réservoir d’hydrogène couplé à une pile à combustible.
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Pour les voitures particulières, les véhicules à batterie ont pris sans doute trop d’avance en termes de baisse des coûts et de déploiement de l’infrastructure. L’hydrogène devra sans doute se concentrer sur la mobilité lourde.
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L’hydrogène pourra être utilisé comme ingrédient dans la fabrication du fer et de l’acier. Il pourra être utilisé aussi comme combustible pour fournir de la chaleur haute température nécessaire pour fabriquer fer, acier et ciment.
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L’hydrogène pourra remplacer les énergies fossiles dans la fabrication de produits chimiques. Une partie de l’hydrogène produit pourra servir pour finir de décarboner le mix électrique (via des piles à combustible ou méthane de synthèse) et la chaleur résidentielle.
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On voit l'hydrogène comme un vecteur de stockage pour l'éolien et le PV. Vu tous les usages de l'hydrogène, on produira bien + d'H2 à partir d'électricité que l'inverse (via des piles à combustible). Pour le réseau, l'H2 fournira surtout une demande flexible.
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L'Union Européenne cette année a annoncé un plan hydrogène ambitieux pour son "Green Deal". L'objectif est de développer 40 GW d'électrolyseurs alimentés principalement par de l'éolien et du PV d'içi 2030 en Europe.
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Conclusion
Décarbonons l’H2 consommé aujourd’hui dans l’industrie en développant l’électrolyse et la pyrolyse. L’H2 pourra ensuite décarboner la mobilité lourde, l’industrie ou la chimie tout en apportant une consommation d’électricité flexible pour intégrer + d’ENRi
Fin
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