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DOSSIER I Hydrogène

Demain, l'hydrogène?

 

L’hydrogène vert apparaît aujourd’hui parmi les solutions les plus prometteuses face aux enjeux de la décarbonation de nos économies. Matière première, vecteur énergétique, carburant ou encore solution de stockage: ses applications sont nombreuses. Et les entreprises suisses du secteur sont dans les starting-blocks pour déployer leurs technologies.

 

ÉLODIE MAÎTRE-ARNAUD

L’hydrogène (H2) est-il l’énergie du futur? Il pourrait en tout cas couvrir près de 20% des besoins énergétiques mondiaux en 2050, selon une étude de l’Hydrogen Council. S’il est utilisé depuis longtemps dans divers secteurs industriels, la demande est aujourd’hui en forte croissance pour des applications servant les objectifs énergétiques et climatiques afin de décarboner nos sociétés. Il faut dire que son utilisation ne produit aucune émission de CO2 (même si c’est encore très peu le cas de sa production, lire l’encadré Vert, bleu ou gris: comment produit-on l’hydrogène?). Il peut en outre être produit et stocké localement, ce qui présente un intérêt majeur au regard des objectifs d’indépendance énergétique. L’utilisation de l’hydrogène vert comme matière première chimique dans l’industrie peut aussi largement contribuer à décarboner ce secteur. Rien qu’en Suisse, la consommation industrielle d’hydrogène est de 13’000 tonnes par an, dont plus de 90% proviennent aujourd’hui de sources fossiles.

«La production d’électricité renouvelable  est indispensable dans le processus de production d’hydrogène durable, et la Suisse dispose de nombreuses installations hydroélectriques.»

 

Amédée Murisier, Alpiq

LA SUISSE, PIONNIÈRE DE LA MOBILITÉ H2

La Suisse est un grand laboratoire d’expérimentation pour les innovations dans le domaine de l’hydrogène. Des projets d’envergure sont menés depuis plusieurs années, dont certains arrivent à maturité et positionnent le pays parmi les pionniers de l’hydrogène au niveau mondial. C’est le cas dans le secteur des poids lourds, où un écosystème complet autour de la mobilité à l’hydrogène vert a été mis en place par des acteurs privés: Hydrospider, Hyundai Hydrogen Mobility et des entreprises partenaires de l’association Mobilité H2 Suisse. Fruits de cette collaboration, 50 camions XCIENT 100% hydrogène devraient sillonner les routes du pays en 2021, alimentés par de l’hydrogène vert produit localement, via un réseau de stations-service déployé dans le cadre du projet. «Nous avons mis en place une première installation d’électrolyse d’une puissance de 2MW sur le site de la centrale hydroélectrique d’Alpiq à Gösgen», explique Amédée Murisier, Head Hydropower Generation chez Alpiq, actionnaire d’Hydrospider. «La production d’électricité renouvelable est indispensable dans le processus de production d’hydrogène durable, et la Suisse dispose de nombreuses installations hydroélectriques.»

 

LA PILE À COMBUSTIBLE AU CŒUR DES DISPOSITIFS

Dans le secteur de la mobilité toujours, l’entreprise GreenGT – inventeur de la voiture de course à hydrogène – a conçu le groupe motopropulseur hydrogène haute puissance qui va équiper un 40 tonnes présenté début 2021. «Le système de propulsion intègre deux piles à combustible légères et compactes, et délivre une puissance de 420kW, soit l’équivalent de 560 chevaux», précise Frédéric Veloso, directeur Stratégie et développement commercial de l’entreprise. Cette technologie s’intègre dans le projet GOH!, qui associe également SIG pour la production et la fourniture d’hydrogène vert, Migrol pour sa distribution et LARAG pour la fabrication des camions.

Au cœur des dispositifs hydrogène permettant l’alimentation des véhicules électriques, la pile à combustible, une technologie permettant de transformer l’hydrogène en électricité en émettant uniquement de la vapeur d’eau. Si le principe n’est pas nouveau – la première pile de ce type a été imaginée, en Suisse, au XIXe siècle! –, la technologie a fait des bonds de géant (à lire: L’hydrogène en terre ou en mer et Des piles à combustible réversibles). Elle permet aujourd’hui de développer des puissances à même d’alimenter non seulement des voitures et des camions, mais aussi des navires et des avions (à lire également: Airbus vole vers l’hydrogène). Elle devrait aussi jouer un rôle clé pour des applications stationnaires, y compris dans l’approvisionnement d’infrastructures gourmandes en énergie.

La pile à combustible permet aujourd’hui de développer des puissances à même d’alimenter non seulement des voitures et des camions, mais aussi des navires et des avions.

STOCKER L’ÉLECTRICITÉ D’ORIGINE RENOUVELABLE

L’hydrogène devrait par ailleurs contribuer à pallier le problème de l’intermittence de la production de certaines énergies renouvelables en offrant des possibilités de stockage. En utilisant le surplus d’électricité pour «produire» de l’hydrogène via l’électrolyse de l’eau, on valorise en effet cette énergie excédentaire; l’hydrogène peut être utilisé ultérieurement afin de produire à nouveau de l’électricité dans une pile à combustible (lire l’encadré ci-dessous). Plusieurs instituts de recherche et start-up suisses développent actuellement de nouveaux types de batteries longue durée afin de stocker des densités d’hydrogène supérieures aux capacités des bonbonnes classiques.

AU CŒUR DES DISPOSITIFS HYDROGÈNE, L’ÉLECTROLYSE (1) ET LA PILE À COMBUSTIBLE (2)

 

L’hydrogène peut être produit grâce à la décomposition de l’eau (H2O) en dihydrogène (H2) et en oxygène (O), sous l’effet du courant électrique. C’est l’électrolyse. Ce procédé n’émet pas de CO2 en lui-même; il faut toutefois tenir compte du caractère renouvelable ou non de l’électricité utilisée pour qualifier l’hydrogène ainsi produit de «propre». Le procédé de l’électrolyse n’est pas nouveau, mais de nombreux chercheurs planchent sur l’amélioration de ses rendements.

 

La pile à combustible permet de convertir l’hydrogène en électricité, en chaleur et en eau, grâce à une réaction chimique avec l’oxygène. Depuis la réalisation de la première pile de ce type au XIXe siècle, la technique a été perfectionnée et fait l’objet de nombreux travaux de recherche afin d’améliorer les rendements et accroître l’échelle des températures auxquelles elle peut fonctionner.

Dans le domaine du stockage encore, l’entreprise Gaznat a inauguré en septembre 2020 un réacteur de méthanation pilote dans une installation de power-to-gas. Cette technologie permet de stocker l’excédent d’électricité renouvelable sous forme de méthane de synthèse (CH4). Ce gaz est produit via la conversion du courant en hydrogène par électrolyse, l’hydrogène étant ensuite injecté dans le réacteur, avec une source de CO2 provenant d’un site industriel. «A l’avenir, ce type de dispositif, installé à proximité de centrales hydrauliques, de fermes éoliennes ou de grandes installations solaires, pourrait contribuer à atteindre la Stratégie énergétique 2050 de la Confédération», affirme Gilles Verdan, directeur du département Réseau de l’entreprise.

 

L’HYDROGÈNE AU CŒUR DES PLANS DE RELANCE EUROPÉENS

Renouvelables, décarbonation, indépendance énergétique… Ce n’est pas un hasard si l’hydrogène figure en bonne place dans les plans de relance «verte» visant à contrer les effets de la pandémie de Covid-19 sur les économies européennes. Paris a ainsi annoncé une enveloppe de plus de 7 milliards d’euros d’ici à 2030 pour la filière. Du côté de Berlin, 9 milliards d’euros seront investis sur vingt ans pour promouvoir les développements technologiques liés à l’hydrogène. De quoi booster et verdir la production et les usages, même si – pragmatisme oblige – l’hydrogène «bleu» (décarboné) sera utilisé dans la phase de transition.

La part de l’hydrogène dans le bouquet énergétique européen devrait passer de moins de 2% actuellement à près de 15% d’ici à 2050.

Selon les projections de la Commission européenne dans sa stratégie bas carbone 2050 (publiée en 2018), la part de l’hydrogène dans le bouquet énergétique européen devrait passer de moins de 2% actuellement à près de 15% d’ici à 2050. Afin de contribuer à la réalisation de cette stratégie, la Commission a lancé l’été dernier l’alliance européenne pour un hydrogène propre. Son objectif est de constituer une réserve de projets d’investissement destinée à accroître la production et soutenir la demande d’hydrogène propre dans l’Union européenne. Elle estime par ailleurs que les investissements cumulés en faveur de l’hydrogène renouvelable en Europe pourraient se situer entre 180 et 470 milliards d’euros d’ici à 2050, et dans une fourchette de 3 à 18 milliards d’euros pour l’hydrogène d’origine fossile à faible teneur en carbone (le bleu, donc).

Vert, bleu ou gris: comment produit-on l’hydrogène?

 

L’hydrogène (H2) est très peu présent seul à l’état naturel. Associé à l’oxygène, on le trouve en revanche en abondance sous forme de molécules d’eau (H2O). Il entre également dans la composition chimique des hydrocarbures – charbon, pétrole et gaz –, issus de la combinaison d’atomes de carbone et d’atomes d’hydrogène (CH4 pour le méthane, par exemple). Ainsi, bien que présent en quantité quasi illimitée sur notre planète, il n’est pas immédiatement disponible en tant que ressource énergétique. Avant de pouvoir utiliser l’hydrogène, il faut en effet le «produire», comprenez par là le «séparer» des atomes d’oxygène ou de carbone auxquels il s’est associé. Et si les propriétés chimiques de l’hydrogène sont toujours les mêmes, il peut être produit de façon plus ou moins écologique.

 

PASSER AU VERT

A l’heure actuelle, 95% de la production mondiale d’hydrogène provient des hydrocarbures, via des processus chimiques qui émettent d’énormes quantités de CO2. La production annuelle de cet hydrogène dit «gris» (environ 70 millions de tonnes) engendrerait ainsi quelque 700 millions de tonnes de CO2. D’où le développement de solutions permettant de le décarboner en captant le CO2 (l’hydrogène est alors dit «bleu»). L’hydrogène peut également être produit grâce à l’électrolyse de l’eau. Plus cher, ce procédé électrochimique n’est en outre pas forcément neutre en CO2. Pour qu’il le soit, l’électricité utilisée pour séparer les atomes d’hydrogène et d’oxygène doit provenir de sources renouvelables. C’est à cette condition seulement que l’on peut parler d’hydrogène «vert».

Une couleur très exigeante donc, et qui, selon certains «hydrogénosceptiques», aurait un prix beaucoup trop élevé (jusqu’à cinq fois plus cher que celui de l’hydrogène gris?) pour que l’on puisse raisonnablement miser sur ce vecteur d’énergie. «Toutes les innovations technologiques prennent du temps pour s’installer», répond Eric Plan, secrétaire général de CleantechAlps. «Les coûts vont baisser au fur et à mesure sur l’ensemble de la chaîne de valeur, y compris ceux de l’électricité d’origine renouvelable. Et si l’on prend en compte tous les impacts de la production d’hydrogène gris – essentiellement entre les mains de la filière pétrole –, l’écart n’est pas aussi important.»

 

FORT POTENTIEL EN SUISSE, AU FIL DE L’EAU

Quoi qu’il en soit, la Suisse a encore du chemin à faire pour passer au vert. «La consommation actuelle d’hydrogène dans le pays est d’environ un demi-térawattheure (TWh) par an, pratiquement à 100% basée sur des énergies fossiles», précise Stefan Oberholzer, responsable du programme hydrogène à l’Office fédéral de l’énergie. Mais le potentiel est là. Selon les Perspectives énergétiques 2050+ publiées fin novembre par l’OFEN, la production domestique d’hydrogène vert devrait atteindre environ 2TWh par an d’ici à 2050. «Il devrait être produit par électrolyse, en utilisant de l’électricité provenant d’installations hydroélectriques au fil de l’eau», ajoute Stefan Oberholzer. «De plus, il reste encore à voir jusqu’à quel point l’électricité provenant d’autres sources renouvelables – comme le solaire photovoltaïque – pourrait également être utilisée pour la production domestique d’hydrogène dans le futur.»

30 MILLIONS DE FRANCS PAR AN POUR LES PILES À COMBUSTIBLE

Et en Suisse? «A la différence de ses voisins, la Suisse n’a pas de grande filière industrielle à soutenir pour justifier de tels investissements», relève Eric Plan, secrétaire général de CleantechAlps, la plateforme de promotion des acteurs cleantech de Suisse occidentale. «La Suisse a encore de la peine à définir le rôle de l’hydrogène dans son système énergétique», affirmait quant à lui Arthur Janssen, président de l’Association des producteurs de H2, lors de sa création fin 2020.

«L’hydrogène est particulièrement intéressant pour la décarbonation du transport de poids lourds.»

 

Stefan Oberholzer, OFEN

Si, en effet, la Confédération n’a pas à ce jour pris de position officielle sur l’hydrogène, Stefan Oberholzer, responsable du programme hydrogène à l’Office fédéral de l’énergie, relève toutefois «un certain dynamisme dans ce domaine». «L’hydrogène est particulièrement intéressant pour la décarbonation du transport de poids lourds», ajoute-t-il. «Les camions à hydrogène bénéficient d’une exemption de la redevance poids lourds liée aux prestations (RPLP) et d’une exemption de l’hydrogène de la taxe sur les huiles minérales.» Et de souligner que l’incitation à la suppression de la RPLP crée en Suisse des conditions idéales pour un marché pilote de l’introduction des camions à hydrogène, qui n’existe pas actuellement sous cette forme dans les pays européens voisins. L’hydrogène est également cité dans le Plan directeur de la recherche énergétique de la Confédération 2021-2024, publié le 30 novembre dernier. Dans ce domaine, les priorités des activités subventionnées par l’OFEN vont à la recherche fondamentale axée sur les matériaux, au développement du système et à la démonstration ainsi qu’aux tests dans le cadre de projets pilotes. «Le secteur public investit environ 30 millions de francs par an dans la technologie des piles à combustible et de l’hydrogène», précise Stefan Oberholzer.

Le nombre des acteurs de l’hydrogène en Suisse a doublé entre 2015 et 2020.

DE L’IMPORTANCE DE FÉDÉRER LES ACTEURS

Instituts de recherche, universités, hautes écoles, start-up ou encore entreprises industrielles: le nombre des acteurs de l’hydrogène en Suisse a doublé entre 2015 et 2020. «Tous touchent la thématique hydrogène, mais il n’y a pas de cohérence permettant de parler de véritable filière à l’heure actuelle», relève Eric Plan. Selon lui, fédérer les intérêts est pourtant essentiel afin de faire bouger les lignes et de donner de la visibilité aux acteurs de l’hydrogène. En décembre 2020, sept entreprises énergétiques suisses ont ainsi fondé l’Association des producteurs de H2. Leur but? Favoriser le développement de la production d’hydrogène en Suisse, en contribuant notamment à lever les obstacles réglementaires. Citons encore Hydropole, l’association suisse de l’hydrogène. Elle fêtera ses 20 ans en 2021. L’occasion notamment de porter à la connaissance de tous plusieurs réalisations exemplaires, afin de démocratiser la thématique de l’hydrogène.

Stockage, transport et valorisation in situ

 

A volume égal, l’hydrogène libère près de trois fois plus d’énergie que l’essence. A masse égale, l’hydrogène occupe en revanche un volume beaucoup plus important que tous les autres gaz. Sa faible densité le rend ainsi compliqué à stocker et à transporter. On utilise généralement des bouteilles ou des pipelines, dans lesquels il voyage sous forme comprimée. Il peut aussi être stocké sous forme liquide à -253°C.

Mais le plus efficient est bien sûr la valorisation de l’hydrogène sur le site même de sa production. C’est notamment l’ambition de Satom SA. La centrale de valorisation des déchets de Monthey développe en effet un grand projet d’installation d’un électrolyseur pilote et d’une station-service hydrogène. L’idée est de produire de l’hydrogène in situ via l’électrolyse de l’eau, grâce à l’électricité générée par l’incinération des déchets; cet hydrogène alimentera notamment la flotte de poids lourds chargés du ramassage de ces déchets.

Jules Verne avait vu juste!

 

Lisez plutôt cette étonnante prédiction, dans L’Ile mystérieuse, un roman paru en 1875:

«– Et qu’est-ce qu’on brûlera à la place du charbon? (demanda Pencroff)

– […] L’eau décomposée en ses éléments constitutifs, répondit Cyrus Smith, et décomposée, sans doute, par l’électricité […]. Oui, mes amis, je crois que l’eau sera un jour employée comme combustible, que l’hydrogène et l’oxygène, qui la constituent, utilisés isolément ou simultanément, fourniront une source de chaleur et de lumière inépuisable et d’une intensité que la houille ne saurait avoir. Un jour, les soutes des steamers et les tenders des locomotives, au lieu du charbon, seront chargés de ces deux gaz comprimés, qui brûleront dans les foyers avec une énorme puissance calorifique.»