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Les énergies renouvelables bon marché pourraient faire de l'hydrogène vert un substitut pratique aux combustibles fossiles
L'hydrogène produit à partir de l'électricité produite à partir de l'énergie éolienne ou solaire pourrait fournir une source d'énergie propre et neutre en carbone. L'Europe ouvre la voie.
Franziska Barczyk
24 février 202110 technologies révolutionnaires 2021 : l'hydrogène vert
Pourquoi est-ce important:L'hydrogène vert peut remplacer le gaz naturel, le diesel et l'essence utilisés dans les navires, les camions, les bus et les voitures.
Joueurs clés:• ThyssenKrupp
• Obtenez le noyau H2 Nowega
• Dans l'hydrogène
• Siemens
Disponibilité:À présent
L'hydrogène est un carburant attrayant. Un kilogramme d'hydrogène a environ trois fois plus d'énergie qu'une quantité comparable de diesel ou d'essence. S'il peut être fabriqué proprement et à moindre coût, il pourrait être la clé du nettoyage d'un éventail de secteurs vitaux délicats.
Aujourd'hui, la plupart de l'hydrogène manufacturé est fabriqué en combinant du gaz naturel avec de la vapeur à haute température. C'est un processus énergivore qui émet des quantités considérables de dioxyde de carbone, le principal gaz à effet de serre à l'origine du changement climatique. Mais un pourcentage faible et croissant est obtenu en divisant l'eau en ses éléments constitutifs en la zappant avec de l'électricité, un processus connu sous le nom d'électrolyse. Cela consomme également beaucoup d'énergie, mais si l'électricité provient d'une source renouvelable comme l'énergie éolienne ou solaire, elle produit un minimum d'émissions nocives.
Cette histoire faisait partie de notre numéro de mars 2021
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Cet hydrogène dit vert est aujourd'hui environ trois fois plus cher à produire que l'hydrogène issu du gaz naturel (qui est majoritairement du méthane, dont les molécules sont composées d'un atome de carbone lié à quatre atomes d'hydrogène). Mais c'est la moitié de ce qu'il en coûtait il y a 10 ans. Et comme le coût de l'énergie éolienne et solaire continue de baisser et que les économies d'échelle autour de la production d'hydrogène vert se font sentir, cela pourrait devenir beaucoup moins cher. Si cela se produit, l'hydrogène vert a le potentiel de devenir un carburant essentiel pour un avenir décarboné. En parallèle, à mesure que les techniques de capture du carbone s'améliorent, l'hydrogène peut être extrait du gaz naturel sans rejeter autant de dioxyde de carbone dans l'atmosphère.
L'hydrogène est précieux en partie à cause de sa polyvalence. Il peut être brûlé comme substitut aux combustibles fossiles tels que le charbon, le pétrole et le gaz naturel. Ces carburants produisent tous du dioxyde de carbone lorsqu'ils sont brûlés, alors que la combustion d'hydrogène pur dans une turbine ne produit que de la vapeur d'eau. Cependant, il catalyse également la production d'oxydes d'azote nocifs en raison des températures élevées impliquées. Une autre façon d'utiliser l'hydrogène est dans les piles à combustible, qui combinent l'hydrogène avec l'oxygène pour créer de l'eau et de l'électricité - l'inverse de l'électrolyse - sans produire d'oxydes d'azote.
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Comment la baisse des coûts solaires a ravivé les espoirs de l'hydrogène propre Alors que les nations font des calculs difficiles sur la façon d'atteindre leurs objectifs climatiques, l'hydrogène vert apparaît de plus en plus essentiel.L'hydrogène peut alimenter des véhicules, notamment des voitures, des bus, des trains et des avions, soit par le biais de piles à combustible, soit en le brûlant directement. La combustion de l'hydrogène peut également fournir une chaleur sans carbone pour une utilisation dans les aciéries, les cimenteries et d'autres industries. Et l'hydrogène vert peut remplacer l'hydrogène déjà utilisé comme matière première dans tout, des raffineries aux usines d'engrais, réduisant ainsi leurs émissions de dioxyde de carbone. Certains sites industriels, tels que les aciéries et les usines chimiques, peuvent également utiliser l'oxygène produit comme sous-produit.
Indépendamment de la façon dont il est fabriqué, le stockage et le transport sûrs et abordables de l'hydrogène restent difficiles, en particulier pour certaines applications prometteuses comme l'aviation. C'est pourquoi une autre option consiste à combiner l'hydrogène et le carbone - qui peut être capturé dans l'atmosphère par un processus appelé capture de l'air ou à partir des cheminées - pour produire des hydrocarbures synthétiques liquides plus faciles à manipuler que l'hydrogène. Ces carburants liquides peuvent remplacer l'essence ou le diesel plus propres et à l'identique.
L'hydrogène peut également être utilisé pour stocker l'énergie des centrales électriques renouvelables, qui peut ensuite être reconvertie en électricité et réinjectée dans le réseau si le vent tombe, si des nuages apparaissent ou si la demande augmente.
Avec tant d'utilisations possibles, le Agence internationale de l'énergie (AIE) prévoit que d'ici 2050, l'hydrogène pourrait fournir plus de 10 % des besoins énergétiques mondiaux, produisant plus de 11 millions de gigawattheures d'énergie par an. Cela nécessitera plus de 4 000 milliards de dollars d'infrastructures pour la production, le stockage et le transport de l'hydrogène.
L'Europe à elle seule vise 40 gigawatts de capacité d'électrolyse d'ici 2030. (Cela représenterait environ 2 % de la prévision de l'AIE pour 2050.) Il y a un tsunami d'opportunités depuis le début de [2020]. C'est incroyable le nombre de grands projets réalistes à venir, déclare Christoph Noeres, qui dirige l'activité hydrogène vert pour Uhde Chlorine Engineers, une filiale du conglomérat allemand ThyssenKrupp.
Comme ma vallée était verte
Vallées de l'hydrogène —des projets régionaux qui implantent des usines d'électrolyse là où elles peuvent servir à de multiples usages industriels—se forment à travers l'Europe. Près de Hambourg, dans le nord de l'Allemagne, ThyssenKrupp fait partie d'un consortium d'hydrogène vert de 89 millions d'euros (107 millions de dollars) soutenu par une subvention de 30 millions d'euros du gouvernement allemand. Le projet prévu comprend une raffinerie, une cimenterie, des groupes électrogènes et un parc éolien offshore.
Dans un premier temps, son hydrogène vert remplacera une partie de l'hydrogène gris - comme on appelle parfois l'hydrogène dérivé du gaz naturel - utilisé à la raffinerie. Le groupe allemand prévoit ensuite de faire réagir l'hydrogène avec le dioxyde de carbone capté de la cimenterie pour produire à la fois du méthanol, une matière première chimique, et du carburéacteur synthétique.
À quelque 240 kilomètres (150 miles) au sud-ouest, un autre consortium d'hydrogène vert réutilisera des gazoducs désaffectés pour transporter de l'hydrogène gazeux. Le consortium prévoit de construire un électrolyseur de 100 mégawatts. De là, il espère acheminer de l'hydrogène à travers un réseau de 130 kilomètres dans la région industrielle de la Ruhr.
Deux types d'électrolyseurs fabriquent la plupart de l'hydrogène vert. Les électrolyseurs alcalins plongent les électrodes dans de l'eau dopée avec de la lessive ou de la potasse ; Les électrolyseurs PEM utilisent une membrane solide à travers laquelle les noyaux d'hydrogène peuvent circuler.
Si cette réaffectation des pipelines fonctionne, les électrolyseurs connectés à d'anciens tuyaux pourraient à terme fournir de l'hydrogène vert à presque toutes les grandes industries allemandes. Cela allégera la pression sur le réseau électrique congestionné de l'Allemagne et fournira également un approvisionnement prêt en énergie de secours pour les périodes sombres et sans vent.
202110 technologies révolutionnaires
D'autres grands projets démarrent aux Pays-Bas, en Italie, en Espagne, en France, en Grande-Bretagne, au Canada, en Australie, au Japon et en Chine. Dans un premier temps, l'hydrogène que ces projets produiront coûtera cher. Cependant, le cabinet de conseil McKinsey estime que d'ici 2030, l'hydrogène vert sera aussi bon marché que l'hydrogène gris, grâce à une électrolyse moins chère et à la production d'électricité renouvelable ainsi qu'à la hausse des coûts du carbone.
Le soleil brille
Pour que l'hydrogène soit à la hauteur de son potentiel, les politiques publiques seront cruciales. Pour commencer, les régulateurs ou les législateurs devront mettre en place des politiques permettant aux pipelines de gaz naturel existants de transporter également de l'hydrogène - connu sous le nom de mélange - et imposer des réductions des émissions de carbone pour générer une demande d'hydrogène.
Une partie de cela se produit déjà. Allemagne a apporté un changement important à la fin de l'année dernière, libérant les producteurs d'hydrogène vert du paiement de certaines surtaxes sur l'électricité. Il s'agissait en fait d'une reconnaissance par le gouvernement que l'hydrogène vert est une extension de l'énergie éolienne et solaire renouvelable. D'autres réglementations en cours de discussion en Allemagne et dans toute l'Europe exigeraient des réductions de carbone dans les raffineries et les aciéries, ainsi que dans d'autres industries lourdes, en vertu de la directive de la Commission européenne sur les énergies renouvelables.
Jack Brouwer, directeur associé du programme Advanced Power and Energy de l'Université de Californie à Irvine, affirme que des politiques similaires sont nécessaires pour lancer l'hydrogène vert aux États-Unis, mais les discussions ont à peine commencé.
Alors que les gouvernements européens exigent que les gazoducs acceptent l'hydrogène vert - en quantités pouvant atteindre 12 % en volume aux Pays-Bas - les opérateurs gaziers américains s'opposent souvent au mélange.
Bloquer le mélange d'hydrogène est un obstacle sérieux, selon Brouwer. Californie a déjà une règle exigeant qu'un tiers de l'hydrogène pompé dans les stations-service pour les véhicules à pile à combustible provienne de sources renouvelables. Mais actuellement, il est difficile d'obtenir de l'hydrogène vert. Brouwer dit que si les producteurs pouvaient utiliser les gazoducs existants comme réseau de distribution, ils pourraient construire de manière rentable plus d'électrolyseurs dans les régions éloignées qui sont particulièrement venteuses ou ensoleillées.
Il reste également de nombreux obstacles techniques à surmonter. L'échelle de l'énergie éolienne et solaire nécessaire pour faire fonctionner un réseau mondial d'usines d'électrolyse est énorme. Brouwer plaide la cause qu'un avenir durable est tout simplement impossible sans dépendre fortement de l'hydrogène. Il a peut-être raison.