Hydrogène vert

L’hydrogène fait l’objet d’un nouvel engouement mondial : ses utilisations, actuelles et futures, pourraient éviter le recours aux énergies fossiles dans plusieurs secteurs d’activité.

Et comme il est possible d’obtenir de l’hydrogène « vert » avec des techniques de production peu polluantes, celui-ci pourrait jouer un rôle déterminant dans la transition énergétique mondiale d’ici 2050.

Le 25 mai 2022, le gouvernement du Québec a dévoilé la première Stratégie québécoise sur l’hydrogène vert et les bioénergies. Des travaux sont en cours pour la création d’écosystèmes énergétiques régionaux.

Il existe différentes techniques de production de l’hydrogène. Selon le procédé choisi, l’hydrogène obtenu pourra être qualifié de noir, gris, bleu, vert, etc.

Pourtant, l’hydrogène est inodore et incolore. Attribuer une couleur à l’hydrogène est une façon imagée de refléter sa provenance, c’est-à-dire la matière et les sources d’énergie utilisées lors de son cycle de production.

La production à partir d’énergies fossiles

Actuellement, 95 % de l’hydrogène consommé à l’échelle mondiale est produit à partir de gaz naturel ou de charbon.

Le vaporeformage du gaz naturel est le mode de production le plus répandu. Il permet d’obtenir de l’hydrogène gris, produit à partir de gaz naturel, et ce, à faible coût. Il est également possible de transformer du charbon en gaz pour produire un hydrogène brun, à partir de lignite, ou noir, à partir d’anthracite. 

Ces procédés reposent sur la transformation d’énergies fossiles et génèrent d’importantes quantités de gaz à effet de serre. La production de 1 kg d’hydrogène à partir de gaz naturel entraîne l’émission de 9 kg de dioxyde de carbone (CO₂).

Si des étapes sont ajoutées au cycle de production pour capter et stocker le CO₂ émis, l’hydrogène obtenu aura l’appellation d’hydrogène bleu.  

La production d’hydrogène vert

L’hydrogène peut être produit par « électrolyse de l’eau » : ce procédé consiste à faire passer un courant électrique dans l’eau pour décomposer ses molécules (H₂O) et en extraire l’hydrogène.

Si, en plus, le courant utilisé provient d’une source d’énergie renouvelable (hydroélectricité, énergie éolienne ou solaire), tous les éléments du cycle de production sont à faible empreinte carbone. L’hydrogène produit porte l’appellation d’hydrogène vert.

Cette technique de production engendre alors très peu d’émissions de gaz à effet de serre. L’hydrogène vert représente environ 2 % de la production mondiale. Ses coûts de production sont actuellement plus élevés que ceux de l’hydrogène gris.

Il est également possible de produire de l’hydrogène vert à partir de biomasse, par un procédé de gazéification. Le procédé consiste à chauffer à très haute température de la biomasse pour en extraire un gaz de synthèse, puis ultimement de l’hydrogène.

L'hydrogène peut être utilisé dans de nombreux secteurs d'activité.

L’hydrogène est déjà intégré dans les procédés industriels suivants :

• la production d’acier;
• le raffinage du pétrole;
• la production d’ammoniac et d’engrais;
• des procédés à haute température comme la production de verre.

La plupart des industries ont actuellement recours à l’hydrogène produit à partir de gaz naturel ou de charbon. L’utilisation de l’hydrogène vert permettrait à ces entreprises de diminuer leurs émissions de GES et d’améliorer leur bilan énergétique.

Dans le secteur des transports, l’utilisation de l’hydrogène est encore en émergence. Deux approches sont actuellement explorées :

• utiliser des véhicules électriques avec une pile à combustible fonctionnant à l’hydrogène;
• remplacer les carburants fossiles par des carburants synthétiques, produits avec de l’hydrogène.

Les véhicules électriques à pile à combustible

Dans les véhicules électriques à pile à combustible, l’hydrogène joue le rôle de carburant pour produire de l'électricité sur demande. La réaction de l'hydrogène avec de l'oxygène libère de l’énergie, récupérée sous forme d’électricité et de chaleur.

Le développement des véhicules à pile à combustible varie selon les secteurs :

• Véhicules légers : Quelques modèles de véhicules électriques, équipés de pile à combustible, ont été commercialisés principalement en Asie; leur part de marché demeure faible à ce jour.
• Véhicules lourds : L’utilisation de l’hydrogène est envisagée pour décarboner le secteur du transport de marchandises, en particulier pour le camionnage de longue distance. Les piles à combustible offriront une grande autonomie avec un temps de recharge minimal.
• Transport maritime, ferroviaire et aérien : Des travaux sont en cours dans différents pays pour commercialiser des solutions durables et concurrentielles. Par exemple, un train de passagers à l’hydrogène est en service depuis 2018 en Allemagne, et d’autres pays européens ont emboîté le pas dans des projets similaires. Un projet d’avion zéro émission fait également l’objet d’intenses recherches technologiques.

La production de carburants synthétiques

Pour faire fonctionner un moteur thermique, il est possible de remplacer, entièrement ou partiellement, la consommation d’un carburant fossile par un carburant synthétique, produit avec de l’hydrogène vert. Les émissions de GES d’un véhicule sont alors réduites selon la quantité de carburant synthétique utilisé.

Exemples de carburants synthétiques à base d’hydrogène vert : 

• ammoniac et méthanol synthétiques, utilisés dans le transport maritime
• kérosène synthétique, utilisé dans le transport aérien
• essence et diesel synthétiques, utilisés dans le transport routier

L’hydrogène vert représente une solution d’avenir pour aider l’industrie pétrochimique à augmenter son offre de carburants synthétiques. Quant au secteur des transports, il pourra, à long terme, tirer profit de ces carburants verts et trouver des solutions durables pour réduire ses émissions de GES.

On peut aussi combiner de l’hydrogène à du dioxyde de carbone capté à partir d’émissions industrielles pour produire du gaz de synthèse, une solution de rechange au gaz naturel d’origine fossile.

L’hydrogène peut aussi être utilisé pour stocker de l’électricité. Il est entreposé temporairement puis utilisé quand les besoins d’approvisionnement en électricité sont plus importants.

Voici quelques exemples d’utilisations possibles :

• Stocker de l’énergie pour l’utiliser dans des régions non raccordées au réseau électrique. Par exemple, des sites miniers situés dans le nord du Québec produisent de l’électricité avec du diesel, une source d’énergie polluante. Ils pourraient avoir recours à l’hydrogène vert pour produire de l’électricité.
• Entreposer de l’énergie pour soutenir la production d’électricité, à partir de panneaux solaires ou de parcs éoliens. Ces installations fournissent des quantités d’énergie variables selon la météo. L’excédent d’électricité produit lorsque la demande est faible pourrait être utilisé pour produire de l’hydrogène. En période de pointe, l’hydrogène serait reconverti en électricité en utilisant une pile à combustible. La production d’électricité d’origine solaire et éolienne pourrait alors mieux répondre aux variations de consommation.

Avec de nouvelles technologies et des normes précises, il sera possible d’injecter de l’hydrogène directement dans le réseau de gaz naturel, en profitant du réseau de distribution déjà en place.

D’autres utilisations de l’hydrogène vert pourront être développées dans les prochaines années.

Cette étude présente en détails les usages chimiques, énergétiques, physiques, médicaux et scientifiques de l’hydrogène.