L’hydrogène

Le grand débat 11/05/2015
Publication REE REE 2015-2 Dossier L’hydrogène
OAI : oai:www.see.asso.fr:1301:2015-2:13531

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L’hydrogène

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REE N°2/2015 29 Introduction LES GRANDS DOSSIERS « – Et qu’est-ce qu’on brûlera à la place du charbon ? – L’eau, répondit Cyrus Smith. – L’eau, s’écria Pencroff, l’eau pour chauffer les bateaux à vapeur et les locomotives, l’eau pour chauffer l’eau ! – Oui, mais l’eau décomposée en ses éléments constitutifs, répondit Cyrus Smith, et décomposée, sans doute, par l’électricité, qui sera devenue alors une force puissante et maniable, car toutes les grandes découvertes, par une loi inexplicable, semblent concorder et se compléter au même moment. 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 simultané- ment, fourniront une source de chaleur et de lu- mière Inépuisables et d’une intensité que la houille ne saurait avoir. » Ainsi Jules Verne, au travers de ses personnages de l’Ile mystérieuse, exprimait-il sa foi dans l’avenir de l’hydrogène, il y a maintenant 140 ans. Plus récemment, Jeremy Rifkin publiait en 2002 “The Hydrogen economy”, ouvrage dans lequel le célèbre prospectiviste préconisait de suivre la route de l’hydrogène pour se libérer de la dépendance du Moyen-Orient et pour assurer à chacun un libre accès à l’énergie. Mais pendant longtemps l’avènement de la civi- lisation de l’hydrogène n’a été perçu que comme une perspective lointaine associée à la disponibilité massive d’électricité, en provenance par exemple de la fusion thermonucléaire. L’usage de l’hydro- gène est d’ailleurs encore aujourd’hui essentielle- ment centré sur les applications industrielles, telles que le raffinage, la fabrication du méthanol et de l’ammoniac ou le traitement anti-oxydation des métaux. A l’heure actuelle, l’hydrogène reste en outre fabriqué à 95 % à partir de combustibles fos- siles par des réactions de reformage à la vapeur, ou vapo-reformage, qui sont connues depuis la fin du XVIIIe siècle et qui sont voisines de celles utilisées jadis pour la production du gaz de ville à partir de la houille. Un tel procédé a un impact fortement néga- tif sur le plan de l’émission de gaz à effet de serre. Plusieurs facteurs amènent aujourd’hui à recon- sidérer la situation. Tout d’abord, sur le plan technique, des progrès importants ont été accom- plis dans le domaine des piles à com- bustible fondées sur la technologie PEM qui se sont très significativement développées au Japon, sous l’égide de Tokyo Gas et d’un consortium de grands industriels dont Panasonic, sous forme de systèmes domestiques de micro- cogénération dont 100 000 exemplaires ont été installés à ce jour. Ce succès a conduit le METI a publié, en juin 2014, une feuille de route stratégique pour le développement de l’hydrogène avec un objectif de plus de cinq millions de piles à combustible installées dans le secteur domestique en 2030. Ces progrès ouvrent la voie non seulement à une démocratisation et à une fiabilisation des piles à combustible à hydrogène mais aussi à des électro- lyseurs à membranes de bien plus grande capacité que ceux que l’on sait construire aujourd’hui. De tels électrolyseurs pourraient produire de l’hydro- gène par une voie décarbonée à un prix de revient pouvant, à terme, concurrencer celui du vapo-re- formage. Dans le même temps, du fait du nouveau contexte climatique et énergétique, de nouveaux domaines d’application de l’hydrogène sont appa- rus dans le secteur de l’énergie. Ces domaines sont schématiquement au nombre de deux : - drogène apparaît comme l’un des moyens pos- sibles pour se libérer de la dépendance vis-à-vis des hydrocarbures. L’annonce par Toyota de la commercialisation d’une berline, la Mirai, fonc- tionnant à l’hydrogène, est venue conforter la cré- dibilité d’une telle filière ; apparu que l’électrolyse pouvait être un moyen de convertir en hydrogène l’électricité qui devient excédentaire à certaines périodes et de facili- ter ainsi l’accroissement de la part accordée aux énergies renouvelables dans les mix électriques. L’hydrogène ainsi produit peut être injecté en proportion limitée (quelques %) dans les réseaux de gaz naturel : c’est le “Power to Gas”. Mais cer- tains envisagent d’aller plus loin et de convertir L’hydrogène : le grand débat Jean-Pierre Hauet Président ISA-France 30 REE N°2/2015 un jour en méthane l’hydrogène, par réaction de méthanation, c’est-à-dire par réduction du CO2 par l’hydrogène, afin de rendre possible des injec- tions beaucoup plus massives sur le réseau d’un méthane devenu propre. Il existe évidemment diverses variantes à ces filières dont chacune a aujourd’hui ses supporters. Un débat s’est donc engagé sur la place qui peut ou qui doit être réservée à l’hydrogène dans la transition énergétique. Ce débat est passionné et rappelle celui que l’on a connu, il y a 30 ou 40 ans sur l’avenir des filières électrosolaires. Le Gouverne- ment en a pris conscience en confiant le 12 février 2015 une mission de réflexion au Conseil général de l’économie et au Conseil général de l’environne- ment et du développement durable sur les enjeux de l’hydrogène et sur les mesures propres à lever les freins au développement de cette filière. La REE a souhaité s’inviter dans le débat et publie dans ce dossier les contributions d’un panel d’ex- perts de l’industrie et des grands établissements publics concernés par l’hydrogène. On le verra im- médiatement à la lecture de ces différents articles, les positions ne sont pas concordantes sur l’effort à engager. Il est vrai que, si tout le monde s’accorde à reconnaître que l’hydrogène est une filière d’avenir qu’il faut encourager au niveau de la recherche, les avis divergent sur son degré de maturité technique et économique. Sur le plan technique, beaucoup d’étapes restent à franchir pour parvenir à des modes de produc- tion, de transport, de stockage et d’utilisation qui soient performants, fiables et sûrs. Entre les élec- trolyseurs à membrane de quelques centaines de kW aujourd’hui disponibles et ceux de 50 MW et plus qu’il faudrait construire pour absorber des ex- cédents éventuels d’électricité de plusieurs dizaines de TWh, il existe une marge considérable. Mention- nons aussi que le stockage de l’hydrogène, sur les véhicules par exemple, se fait à une pression attei- gnant 700 bars. Les problèmes de sécurité sont évi- demment essentiels pour permettre l’acceptabilité sociétale de la filière. Le souvenir de l’accident du Zeppelin Hindenburg en 1937 s’est estompé dans les mémoires mais la prudence reste de rigueur. Cependant, c’est sur le plan économique que la controverse semble la plus vive. D’aucuns estiment que, dans l’état actuel de la technique et des mar- chés, la filière hydrogène est encore très éloignée de la compétitivité, surtout pour les applications nouvelles de mobilité et de stockage de l’énergie. Selon les évaluations, les écarts à résorber se situe- raient dans des rapports allant de trois à dix, voire davantage si l’on considère la méthanation envisa- gée pour retransformer l’hydrogène en électricité. L’instauration d’un prix du CO2 « correct » serait très insuffisante pour combler de tels écarts sauf à envi- sager des montants exorbitants. Il est vrai que la filière hydrogène souffre dans la plupart de ses acceptions de la multiplication des rendements. Dans la chaîne « mobilité » par exemple, qui n’est pas la moins bien placée, il faut d’abord produire l’électricité, la transformer en hy- drogène dans un électrolyseur puis retransformer l’hydrogène en électricité dans la pile à combus- tible : pertes de rendement et surcroît d’investisse- ment. Mais l’hydrogène peut apporter l’autonomie qui fait aujourd’hui défaut aux véhicules électriques. Certains accusent aussi l’hydrogène d’être le passager clandestin des filières établies. Il est vrai que prendre comme nul, voire négatif, l’excédent de production d’électricité d’origine renouvelable relève d’un calcul marginal de court terme et n’a pas de sens en développement. De même, consi- dérer comme gratuite l’injection de l’hydrogène dans les réseaux de gaz, n’a pas de fondement si l’on doit renforcer les réseaux pour transporter des quantités accrues. L’évaluation du contenu en CO2 de l’hydrogène et de ses usages deviendra également un épineux problème comme l’est aujourd’hui celui du contenu en CO2 du kWh électrique1 , car l’électricité décarbo- née, sauf à provenir du nucléaire, ne sera disponible que de façon intermittente. Or l’amortissement des investissements de la chaîne hydrogène se fera d’autant mieux que la durée de fonctionnement sera longue. Mais revenir à la technique du refor- mage pour saturer les investissements relèverait de la politique de Gribouille. Tous ces arguments ne doivent pas pour autant inhiber l’action. Le problème fondamental est de bien ajuster la position du curseur, entre l’immobi- lisme et le soutien prématuré à des solutions non matures qui, comme on l’a vu à plusieurs reprises dans le passé, peut s’avérer extraordinairement dispendieux pour les finances publiques et pour le consommateur. 1 Le lecteur pourra se reporter au « Gros Plan sur… » publié dans la revue REE 2014-5. LES GRANDS DOSSIERS Introduction REE N°2/2015 31 Introduction LES GRANDS DOSSIERS Le “Power to Gas” - Comment relever le défi du stockage de l’électricité ? Par Philippe Boucly ........................................................................................................................................................ p. 32 L’hydrogène dans la transition énergétique : quels défis à relever ? Par Etienne Beeker ........................................................................................................................................................ p. 39 L’hydrogène, essentiel aujourd’hui, indispensable demain Par Pascal Mauberger, Philippe Boucly, Aliette Quint, Hélène Pierre, Paul Lucchese, Valérie Bouillon-Delporte, Bertrand Chauvet ................................................................................................. p. 46 L’hydrogène électrolytique, une solution de la transition énergétique ? Par Annabelle Brisse, Ludmila Gautier & Sylvain Hercberg .......................................................................... p. 53 Développement de systèmes d'électrolyse de forte puissance : nécessité et approche Par Marc De Volder ..................................................................................................................................................... p. 58 L’hydrogène vecteur énergétique Potentiel et enjeux : une mise en perspective Par Jean-François Gruson, Pierre Marion ........................................................................................................... p. 67 Toyota Fuel Cell System : une nouvelle ère pour l’automobile Par Sébastien Grellier ................................................................................................................................................. p. 72 L’hydrogène dans la transition énergétique. Trois facteurs clés : la production, les applications à la mobilité et l’acceptation par le public Par Jean-Guy Devezeaux, Christine Mansilla, Elisabeth Le Net, Alain Le Duigou ............................... p. 76 L’hydrogène, fée bienveillante ou démon tentateur Par Jacques Maire ........................................................................................................................................................... p. 81 LES ARTICLES Une indication importante est que, pour les ap- plications industrielles, la demande en hydrogène restera forte. Par conséquent, l’approvisionne- ment de ces marchés par un hydrogène décarboné constitue à la fois un débouché et une priorité, dès lors que l’on cherche à réduire les émissions de CO2 et la dépen- dance vis-à-vis des énergies fos- siles. Cette seule considération justifie l’intérêt porté aujourd’hui aux nouveaux électrolyseurs à membranes voire à oxydes céra- miques. En complément à ces débou- chés traditionnels, il existe des marchés de niches (alimenta- tions de secours ou de relais iso- lés, chariots élévateurs, etc.) qui sont décrits dans le dossier et qui peuvent servir de marchepieds à des usages plus massifs de l’hydrogène. Au-delà et en ce qui concerne les débouchés vraiment nouveaux de l’hydrogène, la question posée est de savoir s’il faut rester au stade de la re- cherche ou bien passer à celui des démonstrateurs à grande échelle voire à celui du soutien à grande échelle de la filière. Il est essen- tiel de suivre très attentivement la situation au Japon et en Corée qui semblent aujourd’hui mener le peloton de la course à l’hydro- gène. Il est heureux enfin que nos ministres chargés de l’industrie et l’énergie aient décidé de se saisir du problème afin d’élaborer une politique publique qui soit à la fois constructive et raisonnable. Jean-Pierre Hauet est membre émérite de la SEE et rédacteur en chef de la REE. Il est Président de l’ISA-France. Ingénieur au Corps des mines, il a dirigé les Laboratoires de Marcoussis du groupe Alcatel- Alsthom et a été Chief Technology Officer du Groupe ALSTOM. Il est l’auteur du livre « Comprendre l’énergie – Pour une transition énergétique responsable » paru aux éditions L’Harmattan en avril 2014.