Hydrogène vert

L’hydrogène fait l’objet d’un engouement mondial : ses utilisations, actuelles et futures, pourraient permettre de réduire le recours aux énergies fossiles dans plusieurs secteurs d’activité. Comme il est possible d’obtenir de l’hydrogène vert avec des techniques peu polluantes et d'exploiter l'hydrogène naturel, ceux-ci pourraient jouer un rôle déterminant dans la transition énergétique mondiale d’ici 2050.

Il existe différentes techniques de production de l’hydrogène et le procédé choisi affecte son intensité carbone.

Bien que ce gaz soit inodore et incolore, l'ajout d'un adjectif de couleur (hydrogène noir, gris, bleu, vert, etc.) permet de 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. Ce procédé 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 (GES). Par exemple, la production de 1 kg d’hydrogène à partir de gaz naturel entraîne l’émission de 9 kg de dioxyde de carbone (CO₂) et consomme approximativement 55 kilowattheures par kilogramme d'hydrogène produit.

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'exploitation de l'hydrogène naturel

L'hydrogène naturel, aussi appelé hydrogène natif ou blanc, se trouve dans le sous-sol terrestre, souvent sous forme gazeuse. Il est formé par des réactions chimiques naturelles et les gisements souterrains peuvent être exploités grâce à des puits. 

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 ou de ciment.

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, ou encore utiliser directement de l’hydrogène dans un moteur à combustion développé pour cet usage.

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 et 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 offrent 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.

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 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 peut être 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.

Certains types d'hydrogène, comme le blanc et le vert, présentent plusieurs avantages environnementaux et économiques, dont les suivants.

• Réduction des émissions de CO₂ : contrairement aux énergies fossiles, l’utilisation de l’hydrogène ne rejette aucun gaz à effet de serre.
• Réduction de la pollution de l’air : l’usage de l’hydrogène vert dans les transports et l’industrie lourde ne produit aucun polluant atmosphérique.
• Utilisation dans les secteurs difficiles à décarboner : l’hydrogène vert peut remplacer les combustibles fossiles dans les industries lourdes (ex. : acier, chimie) et les transports lourds (ex. : camions, trains, avion), ce qui permet d’électrifier indirectement ces usages.
• Indépendance énergétique : comme la plupart des énergies renouvelables, l’hydrogène vert peut être produit à partir de ressources disponibles localement, ce qui réduit la dépendance aux énergies fossiles importées et aux chaînes logistiques internationales.

Si la production d’hydrogène vert revêt un grand intérêt pour aider à décarboner et à électrifier indirectement l’économie, son coût demeure élevé. Comme pour les autres filières énergétiques décarbonées, les éléments suivants permettront de rendre celle de l’hydrogène plus concurrentielle, notamment :

• l’augmentation des coûts du carbone;
• l’évolution technologique;
• la croissance des capacités manufacturières de fabrication des équipements, dont les électrolyseurs.  

Pour chaque kilogramme d'hydrogène vert produit, le procédé d’électrolyse nécessite typiquement entre 55 et 60 kilowattheures d’électricité. C’est donc complexe d’en générer de très grandes quantités dans un contexte d’accès limité à l’électricité. Ainsi, l’usage de l’hydrogène est plus pertinent dans des secteurs d’activité difficilement électrifiables.

Quant à l’hydrogène naturel, les entreprises titulaires d’une licence de recherche doivent découvrir des gisements d’envergure et vérifier si le volume permet d’en envisager la commercialisation et d’assurer une rentabilité. Les coûts de transport peuvent également influencer la viabilité d’un projet. 

Pour en savoir plus sur l’hydrogène vert au Québec, vous pouvez visionner cet épisode du balado Vert quoi se tourner?, qui explore les différentes avenues énergétiques pour décarboner le Québec de demain.

Produit à partir d’électricité de source renouvelable, l’hydrogène vert pourrait jouer un rôle dans le remplacement des énergies fossiles et la réduction des émissions de gaz à effet de serre au Québec. Mais comment?

Dans cet épisode, Valérie Chevalier discute de cette filière énergétique avec Maha Bhouri, professeure agrégée au Département de mathématiques, informatique et génie de l’Université du Québec à Rimouski, et Karim Belmokhtar, chercheur principal au cégep de Drummondville.

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