Hydrogène

L'hydrogène change la donne. Il pourrait transformer la planète en fournissant et en stockant de l'énergie verte. Il pourrait alimenter des camions, des navires, des avions et même des villes. Mais pour que la révolution de l'hydrogène devienne réalité, l'humanité doit relever plusieurs défis techniques et économiques. Alors préparons-nous à voyager à l'échelle atomique pour voir si l'hydrogène a vraiment de quoi changer le monde !

Si tu ouvrais un livre sur l'univers, tu trouverais l'hydrogène dès le tout premier chapitre. C'est parce qu'il est l'un des éléments de base de l'univers. Il compose 90 % des atomes des étoiles ^[1-4] et, sur Terre, l'hydrogène est l'un des principaux composants de l'eau, des plantes et même de l'ADN de tous les êtres vivants ^[4-7].

C'est aussi un carburant extrêmement riche en énergie, c'est pourquoi la NASA l'utilise pour propulser des fusées d'exploration spatiale ^[8,9,10]. Clairement, l'hydrogène emmène déjà l'humanité vers de nouveaux sommets. Et le mieux, c'est qu'il ne produit pas de CO₂ !

Alors pourquoi n'est-ce pas le premier choix énergétique dans le monde ? Eh bien, ce n'est pas si simple.

L'hydrogène est difficile à extraire de la Terre sous sa forme pure, même s'il existe des gisements naturels ^[11-17]. Il est généralement associé à d'autres éléments pour former des composés. Par exemple, associé à l'oxygène, il forme de l'eau, ou H₂O. Il peut aussi s'associer au carbone pour former du gaz fossile, aussi appelé méthane, ou CH₄.

Donc, pour obtenir de l'hydrogène pur, il faut le séparer des éléments auxquels il est associé. Quand l'hydrogène est extrait de l'eau, cela libère de l'oxygène. Quand il est séparé du gaz fossile, cela libère du carbone. Donc, savoir si utiliser l'hydrogène comme carburant est bon ou mauvais pour la planète dépend de la façon dont cet hydrogène est produit.

Aujourd'hui, il existe trois grandes façons de produire de l'hydrogène comme carburant, classées en gris, bleu et vert : ^[18-21]

Aujourd'hui, l'essentiel de l'hydrogène est produit à partir de combustibles fossiles ^[22-28] et le type le plus courant est l'hydrogène gris, fabriqué à partir de gaz fossile. Mais que tu utilises du gaz, du charbon ou du pétrole, produire de l'hydrogène à partir de combustibles fossiles rejette beaucoup de CO₂ dans l'atmosphère ^{[19,26,27,28]}. Hélas, ces formes représentent plus de 99 % de toute la production d'hydrogène ^[23,24,28]. Aïe !

En fait, la production d'hydrogène gris à elle seule émet plus de CO₂ que le Royaume-Uni et l'Australie réunis ^[28,29] !

Ces dernières années, les progrès d'une technologie appelée captage et stockage du CO₂ ont permis aux centrales électriques de capter leurs émissions de CO₂ et de les stocker sous terre ^[30,31,32]. Quand on associe cela à la production d'hydrogène, on obtient ce qu'on appelle l'hydrogène bleu ^[33,34].

Mais si cette méthode réduit les émissions de CO₂, elle est actuellement sujette à des fuites de méthane (CH₄) ^[34-37] qui peuvent être plus de 80 fois pires pour l'atmosphère sur 20 ans ^[38,39,40]. Une étude a même montré que, si c'est mal fait, les émissions supplémentaires de CH₄ peuvent être si élevées qu'il vaudrait mieux brûler directement des combustibles fossiles ^[35].

Ce que les scientifiques recherchent vraiment, l'Eldorado de l'énergie propre, s'appelle l'hydrogène vert. Il est produit à partir d'eau par un procédé chimique appelé électrolyse : ^[41-45]

Imagine un grand réservoir d'eau, ou H₂O. Pour récupérer l'hydrogène, tu dois d'abord casser ses liaisons avec l'oxygène. Pour y arriver, tu utilises de l'électricité afin de briser les liaisons dans les molécules d'eau, ce qui produit ce précieux gaz hydrogène. Simple !

Tout cela peut fonctionner grâce à des énergies renouvelables comme le solaire et l'éolien, avec des émissions proches de zéro ^[41-45].

Cet hydrogène vert pourrait remodeler le monde ^{[21,28,43,44,45]}. Des industries comme la production pétrochimique et la sidérurgie ^[44-47] - qui représentent environ 3,6 % et 7,2 % des émissions mondiales ^[48] - commencent à être décarbonées en utilisant de l'hydrogène vert à la place des combustibles fossiles. Certains pays y investissent pour décarboner la production d'ammoniac, un composé utilisé dans les engrais, ce qui réduirait encore de 1-2 % les émissions mondiales ^{[44-46,49-53]}.

Les experts étudient aussi son utilisation dans les transports. Les voitures ne sont pas prioritaires grâce à l'efficacité des véhicules électriques, mais les camions longue distance, le transport maritime international et les avions long-courriers le sont davantage. Comme ils ne peuvent pas utiliser de lourdes batteries pour s'alimenter, l'hydrogène vert est une alternative idéale ^{[21,28,44,45,54]}.

En théorie (et tant qu'il est produit de façon durable), la seule émission directe liée à l'utilisation de l'hydrogène comme carburant est l'eau. En fait, cette eau est même utilisée dans les navettes spatiales de la NASA, où les astronautes la boivent vraiment ! ^[55,56]

Alors, où est le piège ?

Eh bien, si tu brûles simplement de l'hydrogène, il peut aussi faire réagir l'azote présent dans l'air et produire des oxydes d'azote, des polluants atmosphériques nocifs ^[57-61].

C'est toujours plus propre que de brûler des combustibles fossiles, mais l'option la plus propre est d'éviter de le brûler du tout et d'utiliser une pile à combustible à hydrogène, qui convertit directement l'énergie chimique de l'hydrogène en électricité ^[62-65]. Non seulement c'est plus efficace, mais cela ne produit aucune émission d'oxyde d'azote et bien sûr aucun CO₂ ! ^{[57-59,63-65]}

Ça a l'air bien, non ? Alors pourquoi moins de 1 % de l'hydrogène produit aujourd'hui est-il vert ? ^[23,24,28] Pourquoi tout le monde ne se tourne-t-il pas vers cette version écolo ?

Pour l'instant, l'hydrogène coûte cher et demande beaucoup d'électricité à produire ^[66-69]. Si tu voulais alimenter ton téléphone avec de l'hydrogène vert au lieu de le recharger directement avec de l'énergie renouvelable, tu devrais d'abord transformer l'électricité renouvelable en hydrogène, puis utiliser une pile à combustible pour le reconvertir en électricité. Tu pourrais ainsi perdre jusqu'à 70 % de l'énergie que tu aurais reçue en rechargeant directement ton téléphone avec des panneaux solaires dès le départ ! ^[70,71,72]

On dirait qu'avec l'hydrogène vert, tu n'en as pas beaucoup pour ton argent. Alors pourquoi l'utiliser pour alimenter les maisons et les villes ?

La réponse tient dans l'une des propriétés les plus puissantes de l'hydrogène… Sa capacité à stocker de grandes quantités d'énergie pour plus tard.

Comme les éoliennes ont besoin de vent et les panneaux solaires de soleil, le gaz et le charbon doivent souvent prendre le relais les jours sombres et sans vent pour maintenir l'alimentation en électricité. Mais voici une idée plus verte :

Tu alimentes les maisons avec de l'énergie renouvelable via un réseau intelligent flexible, et tu construis assez de parcs éoliens et solaires pour produire un surplus d'énergie. L'électricité en trop peut ensuite être envoyée vers des installations de production d'hydrogène vert, où elle sert à produire de l'hydrogène. Cet hydrogène peut ensuite être stocké et utilisé pour produire de l'électricité quand le solaire et l'éolien ne suffisent pas à répondre à la demande ^[73-76].

Et comme si ça ne suffisait pas, l'hydrogène peut être stocké en très grandes quantités sous terre pendant longtemps, dans d'anciennes mines, des cavités salines ou même des réservoirs de pétrole et de gaz épuisés ^[77-80]. Cela signifie qu'il peut être utilisé toute l'année, même pendant les froids mois d'hiver.

C'est ce qu'on appelle le stockage intersaisonnier et de nombreux pays y investissent déjà ^{[23,81,82,83]}. Un jour, cela pourrait même aider à éliminer la dépendance aux combustibles fossiles. Mieux encore, ces énormes réserves d'hydrogène donnent aux pays plus d'indépendance énergétique, en les rendant moins dépendants des importations d'énergie pour qu'ils n'aient pas besoin de compter sur d'autres pays pour garder les lumières allumées ^[84,85,86].

Mais les batteries ne pourraient-elles pas faire la même chose ?

Pas vraiment. La quantité de batteries nécessaire pour stocker des semaines ou des mois de réserve d'énergie pour une ville coûterait beaucoup, beaucoup plus cher ^[87-90]. L'hydrogène, lui, peut être très peu coûteux à stocker à grande échelle et pourrait résoudre ce problème de stockage d'énergie ^[91,92].

Alors l'hydrogène pourrait-il jouer un rôle dans la décarbonation de la planète ? Eh bien, seulement s'il s'agit d'hydrogène vert produit à partir d'énergies renouvelables ^[93], et seulement si son coût est réaliste ^[66-69]. Pour y arriver, il faut étendre et moderniser les infrastructures, et déployer les énergies renouvelables à grande échelle.

Mais il y a une bonne nouvelle ! L'éolien et le solaire coûtent désormais moins cher que les combustibles fossiles ^[27,94-97]. Et grâce aux récentes avancées technologiques des électrolyseurs, le coût de production de l'hydrogène vert baisse aussi rapidement ^[98-102].

Donc, si l'humanité soutient cette technologie émergente, l'hydrogène vert pourrait être l'une des étoiles brillantes que nous attendions.