Hydrogène : vers une production décarbonée et compétitive

Hydrogène : vers une production décarbonée et compétitive
Depuis le mois dernier, jusqu’en octobre prochain, un cycle de 6 conférences dédiées à l’hydrogène est organisé par un regroupement de 3 partenaires. Le second volet, consacré au développement de l’hydrogène décarboné, s’est déroulé de façon digitale ce mercredi 12 mai 2021. Trois invités ont donné leur point de vue sur la question.
 
A l’origine de ce cycle accessible gratuitement : 3 partenaires. Le doyen, créée en 1801, en est la Société d’encouragement pour l’industrie nationale qui œuvre depuis 220 ans afin de favoriser les filières françaises dans le développement industriel. Avec elle : la plateforme Leonard de prospective et d’innovation du groupe Vinci, entre autres engagée dans les secteurs des énergies et de la mobilité, et la Fondation Energy Observer. Cette dernière promeut un mix énergétique qui fait la part belle à l’hydrogène, comme c’est le cas sur le bateau éponyme, véritable ambassadeur des 17 objectifs du développement durable.
 

3 invités

Pour parler du déploiement de la production d’hydrogène décarboné, l’organisation recevait 3 invités. Premier à s’exprimer sur le sujet, Hugues Seutin est directeur du développement hydrogène pour Entrepose. Celle filiale de Vinci conçoit, réalise et opère des infrastructures pour l’ensemble de la chaîne de l’énergie. Florence Lambert avait pour mission de présenter les différentes technologies d’électrolyseurs, dont celle à haute température que compte commercialiser la société Genvia dont elle est la présidente. Elle dirigeait auparavant le laboratoire d’innovation pour les technologies des énergies nouvelles du CEA. Ce Liten était lui aussi représenté, par l’intermédiaire de François Legalland, son actuel directeur.
 

L’énergie universelle

A travers sa prise de parole, Hugues Seutin a souhaité présenter l’hydrogène comme une énergie universelle. En quoi serait-elle universelle ? Par son abondance, sa polyvalence et ses usages potentiels. La molécule H2 dispose d’un fort contenu énergétique par kilo : 2,5 fois celui du gaz naturel. Ce contenu énergétique est toutefois moins dense en volume. Bien que reconnu comme l’élément le plus abondant de l’univers puisqu’il constitue 75% de sa masse, l’hydrogène n’existerait « pratiquement pas à l’état naturel ». Dans cette configuration « sa production resterait marginale par rapport aux autres moyens de production ».
 

Les couleurs de l’hydrogène

Aujourd’hui, l’hydrogène est encore obtenu à 90 % par vaporeformage à partir du gaz naturel. On parle alors d’hydrogène gris ou bleu, selon que le processus de production prévoit ou non la capture du carbone coproduit. La direction est désormais prise vers une production décarbonée qui peut s’appuyer sur une électricité d’origine nucléaire (hydrogène rose) ou par l’exploitation des sources renouvelables (hydrogène vert) que sont par exemple l’éolien, le solaire, et l’hydroélectrique.
 
La molécule H2 est utilisée comme intrant pour l’industrie, notamment dans les processus des filières du pétrole et de la chimie. Mais aussi, dans des programmes émergeants, pour la production d’électricité via des turbine à gaz ou des piles à combustible, et de chaleur.
 

L’hydrogène dans la mobilité

Pour la mobilité, l’hydrogène peut être employé sous 2 formes : gazeuse ou liquide. Cette dernière est réservée aujourd’hui à l’aérien ou aux voyages dans l’espace, nécessitant de porter le produit à une température très basse : -253° C. Ainsi pour la fusée Ariane, mais aussi, dans quelques années sans doute, dans des avions construits par Airbus.
 
Sous forme gazeuse, l’hydrogène devrait être de plus en plus exploité avec des véhicules terrestres lourds, comme les camions et les bus qui ont des charges moyennes ou importantes à transporter. Mais aussi avec certains véhicules légers qui ont besoins d’une autonomie importante. C’est le cas des taxis. Pour les autres, les voitures particulières par exemple, l’électrique à batterie est plus adaptée. La molécule H2 peut aussi se retrouver dans l’ammoniac. Cette solution est celle privilégiée pour la mobilité des gros bateaux. Ces derniers, tout comme les avions gros porteurs, peuvent également fonctionner avec des carburants de synthèse obtenus avec de l’hydrogène.


 

 

Une filière complète à constituer…

Deux freins principaux contrarient encore le développement de l’hydrogène décarboné. Le premier est le besoin d’une filière complète constituée simultanément de 4 maillons incontournables : les sources renouvelables d’énergie en entrée, une production en place, des solutions de transport disponibles, et des débouchés pour son utilisation.
 
La mobilité nous donne un bon exemple de ce qui se passe si l’un des 4 maillons n’est pas au niveau des 3 autres. Ainsi avec cette fameuse histoire de la poule et de l’œuf représentée par le réseau d’avitaillement en hydrogène face au nombre de véhicules à PAC H2 en circulation. Pas assez de stations freinent les ventes de modèles fonctionnant à l’hydrogène. Et si ces derniers ne sont pas suffisamment présents sur les routes, les investisseurs rechignent à constituer un réseau de distribution. C’est le rôle de la puissance publique que de lever ce frein, a indiqué Hugues Seutin.
 

…et un prix de l’hydrogène vert à abaisser

Le prix du kilo d’hydrogène décarboné est le second frein. Celui issu d’une production verte oscille entre 4 et 8 euros. Il était dans un premier temps question de le ramener à celui de l’hydrogène gris et de son coût CO2 (2 euros), puis du gaz naturel également avec son coût CO2 (1,5 euros).
 
Désormais, des organisations comme BloombergNEF visent 1 euro à horizon 2050, c’est à dire le prix du kg de gaz naturel sans son coût CO2. Pour que le prix unitaire au kilo baisse, il est nécessaire de jouer avec plusieurs leviers. Notamment au niveau du tarif d’achat de l’électricité renouvelable et des coûts d’investissement qui représentent ensemble 80 % du coût de l’hydrogène.
 

Des leviers à actionner

Développer massivement l’hydrogène vert se traduit donc par un déploiement nécessairement très important du solaire et de l’éolien en particulier, et passe par l’amélioration des rendements au niveau des électrolyseurs. A prendre en compte également pour la France le cas du mix énergétique qui comprend une part importante de nucléaire rendant possible d’une autre façon la production d’hydrogène décarboné.
 
Au niveau des investissements, l’électrolyseur pèse 50 % des coûts. Des économies d’échelle seront réalisées avec l’augmentation des volumes de production de ces unités. Selon Hugues Seutin, au moins 3 fabricants d’électrolyseurs existent en France. La réduction des coûts passe également par une évolution des technologies, un recours moins important aux matériaux critiques (palladium, titane, iridium, etc., selon les précisions apportées ensuite par François Legalland) dont les prix peuvent être très volatiles, et le développement de programmes avec des capacités supérieures de production d’hydrogène vert.
 

Vision 2050

A la tête de Genvia, Florence Lambert a prolongé par une vision en 2050 la présentation effectuée par le directeur du développement H2 d’Entrepose. A cette échéance, le monde énergétique devrait avoir connu une véritable révolution.
 
Avec une présence importante des sources renouvelables et des unités de production décentralisées d’hydrogène vert, au pied même des champs éoliens et des centrales photovoltaïques. Le nucléaire (small modular reactor) serait également présent près des grandes villes ou des sites industriels. De quoi produire localement son propre carburant. Les réseaux d’énergie se seront rencontrés avec la mobilité, l’hydrogène permettant d’électrifier les véhicules en complément des batteries, notamment les modèles lourds (trains, bateaux, avions). Ce produit aura alors également permis de décarboner les secteurs de l’industrie et de la chimie.
 
Cette vision à 360 degrés de l’hydrogène s’obtiendra avec des technologies flexibles. Florence Lambert oppose à la compétition l’idée d’une complémentarité. En matière de déplacements et transports, par exemple, cela se traduirait par des véhicules alimentés à l’hydrogène aux côtés de petites mobilités à batteries appréciées pour leurs rendements importants et leurs réseaux de recharge. Les industries, qui ne peuvent faire autrement que d’émettre du CO2, gagnerait un cycle en combinant ces rejets captés avec de l’hydrogène afin de le valoriser dans du méthane ou du méthanol.
 
La responsable de Genvia a attiré l’attention sur un phénomène récurrent : la baisse du coût de production de l’électricité avec des sources renouvelables toujours supérieure aux prévisions. Par ailleurs l’hydrogène peut résoudre des problèmes de transport de l’énergie d’un continent à un autre.
 

Différentes technologies d’électrolyse

Dans sa présentation, Florence Lambert a confirmé que le développement de l’hydrogène passe impérativement par une production sans émission de CO2 et à des coûts compétitifs. Complémentaires, trois technologies d’électrolyse poursuivent leur chemin.
 
Grâce à sa maturité et sous l’impulsion de McPhy, l’électrolyse alcaline va permettre d’ouvrir les marchés.
 
Au stade pré-commercial, la technologie de type PEM, à membrane échangeuse de protons, fonctionne exactement à l’inverse d’une pile à combustible. Des usines se mettent en place pour diffuser ces électrolyseurs.
 
La dernière catégorie, au stade de R&D, concerne plus particulièrement Genvia qui lui consacre son activité : l’électrolyse SOEC (Solid oxide electrolysis cell) à électrolyte liquide (céramique) et sans métaux critiques, ou EHT (électrolyse haute température), fonctionnant à 700-850° C.
 

Electrolyse EHT

Dans les électrolyseurs à haute température, l’eau est présentée sous forme de vapeur. Cette solution permet déjà à ce niveau de gratter quelques pourcentages de rendement. Ce qui se traduit par une baisse des coûts de production de l’hydrogène.
 
Cet avantage est encore accentué en implantant l’unité à côté d’un point chaud industriel (150° C). De quoi gagner 15% de rendement supplémentaire. Au final, ce sont 30% de rendement en mieux qui peuvent être obtenus de cette technologie par rapports aux autres électrolyseurs. Ce qui favorise la décroissance du coût de production de l’hydrogène vert. Comparant les projections vers 2030 pour les 3 modèles d’électrolyse, Florence Lambert estime que la technologie EHT sera celle de la généralisation des marchés de l’hydrogène.
 
Métallurgie, assemblage, emboutissage pour former les électrolyseurs haute température complets vont offrir de très bonnes opportunités de reconversion d’emplois depuis les métiers de l’automobile et du pétrole.
 
La feuille de route de Genvia envisage d’aller très vite vers des systèmes à hauteur de 100 MW de puissance. A noter les différences de rendements selon les technologies : Alcaline entre 53 et 70 %, PEM de 58 à 70 %, et EHT jusque 97 %. Cette dernière a émergé en France en étant incubé pendant plus de 15 ans dans le laboratoire du Liten. Une installation SOEC a un fonctionnement réversible permettant de produire de l’hydrogène avec de l’électricité, mais aussi d’obtenir du courant avec du gaz H2 (rendement de 55 % dans ce sens). De quoi accompagner efficacement le déploiement des énergies renouvelables.

Genvia sur 10 ans

Créée en mars dernier à Béziers (34), la société Genvia lancera dès juillet prochain sa production d’électrolyseurs EHT. Elle permettra en particulier, d’ici 2024, de monter une dizaine de démonstrateurs autour de cette technologie. A cette date serait lancée une gigafactory qui tournerait à pleine capacité à horizon 2031.
 
L’implantation dans l’Hérault, proche de son fournisseur et partenaire Cameron, autrefois constructeur des fameux avions Fouga Magister, ouvre les portes à une exportation dans le monde entier à partir du port de Sète, relié à Béziers par le canal, l’autoroute et la voie ferrée.


 

Un vivier d'innovations

Faire baisser le prix des électrolyseurs des 3 technologies concerne en particulier le Liten, dirigé par François Legalland. C’est dans ce laboratoire, qui occupe un millier de chercheurs et dépose chaque année plus de 200 brevets, que peuvent naître des innovations à incorporer à ces unités de production.
 
Ces innovations sont à chercher tous azimuts : amélioration des rendements et des performances pour gommer les pertes lors des conversions, travaux sur la durée de vie des électrolyseurs et de leurs composants, réductions ou substitution des matériaux les plus chers et/ou critiques, renforcement de la pression de l’hydrogène en sortie des installations et avant stockage, augmentation de la densité de puissance, réduction de l’empreinte au sol, mise en place des standards de sécurité, développement des couches systèmes de pilotage. Et ce, avec une approche technico-économique et d’analyse du cycle de vie (écoconception, recyclabilité).
 

Le Liten et le projet de Genvia

L’électrolyseur EHT de Genvia a mobilisé le Liten pendant une quinzaine d’années avec des briques développées dans différents labos, a expliqué François Legalland. Avant d’aboutir aux résultats actuels, les performances se sont améliorées de façon continue. Cet épisode est à l’origine du dépôt de 40 familles de brevets autour de cette technologie. En plus de la réversibilité de production, l’unité peut fonctionner en mode co-électrolyse pour fournir des combustibles de synthèse.
 
Désormais, l’installation EHT est prête à passer au stade industriel avec une automatisation des moyens de production et une recherche systématique des coûts des composants. Les travaux pour son amélioration continuent au niveau de la cellule (dont leur empilement), du stack, des systèmes, des catalyseurs, des joints d’étanchéité. Mais aussi en matière de fluidique et de thermodynamique « avec toute une couche de modélisation et de simulation ».


 

Les autres technos de production d’hydrogène

Après avoir indiqué des pistes pour améliorer l’électrolyse alcaline (gestion de la variabilité des sources renouvelables d’énergie) et PEM (utilisation de matériaux à plus bas coûts tout en conservant la pureté de production), François Legalland a conclu en évoquant d’autres pistes de recherche.
 
« On peut fabriquer de l’hydrogène à partir de biomasse, de déchets, par pyrolyse, par gazéification », a-t-il indiqué. Il a également cité les microalgues, la photocatalyse, et peut-être d’autres technologies qui peuvent arriver dans le future. Une « filière extrêmement prometteuse où il y a beaucoup de sujets de R&D ». A l’instar du photovoltaïque il y a quelques années. Le directeur du laboratoire prévoit d’importantes courbes de baisses des prix unitaires de l’hydrogène.