L’hydrogène, fée bienveillante ou démon tentateur

11/05/2015
Auteurs :
Publication REE REE 2015-2 Dossier L’hydrogène
OAI : oai:www.see.asso.fr:1301:2015-2:13550
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L’hydrogène, fée bienveillante ou démon tentateur

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L’énergie est vitale pour la société mais ce n’est qu’une utilité qui assure des services ; nous n’avons pas envie de gaz ou de fuel ou… mais nous voulons être chauffés. C’est donc un domaine où le rationnel devrait s’imposer et, devant un besoin, il faudrait simplement chercher la meilleure solution en fonction du coût, des risques, des objectifs, etc. Et pourtant l’opinion s’em- balle parfois en imaginant que telle solution technique conduira à une société meilleure où tous les problèmes trouveront leurs solutions. C’est le cas de l’hydrogène, certains ont pu parler de civilisation de l’hydrogène. C’est propre, c’est abon- dant, c’est souple etc. Cela fait rêver les citoyens et les hommes politiques. Malheureusement ce n’est pas une énergie pri- maire car l’hydrogène n’est présent qu’en combinaison (même si l’on connaît quelques émanations naturelles). Pour qu’il devienne un produit énergétique, il faut déjà l’isoler en consommant de l’énergie ; ce n’est qu’un vec- teur énergétique permettant de passer d’une énergie primaire à l’usage. C’est donc aux autres vecteurs qu’il faut la comparer et non aux énergies primaires. C’est un produit qui a des qualités, il a un pouvoir calorifique élevé, 1 kg de H2 contient une énergie plus de deux fois supérieure à celle du kg de méthane, il est très réactif mais il est très léger. C’est même le plus léger des gaz ; le kg d’H2 occupe un volume huit fois supérieur à celui du méthane. Il est donc assez difficile à manipuler, sans parler des risques de fuites. L’hydrogène peut être obtenu soit à partir des hy- drocarbures par vapocraquage soit par électrolyse mais cette deuxième voie est dans l’état des techniques bien plus coûteuse, même avec de l’électricité gratuite. Elle est réservée aux usages qui nécessitent une grande pureté. C’est un corps chimiquement intéressant, largement utilisé en chimie et en raffinage. La production mondiale est de l’ordre de 60 Mt. L’une des utilisations qui pour- rait prendre de l’importance dans l’avenir, semble être l’exploitation des bruts extra lourds. Des recherches ont été menées par EDF et par GDF autour des années 70-80 essentiellement pour dimi- nuer le coût des électrolyseurs. L’idée de base partait du programme nucléaire susceptible de fournir de grandes quantités d’électricité et des inquiétudes sur les res- sources possibles en gaz naturel. Ce schéma n’est plus d’actualité compte tenu des idées présentes sur le nu- cléaire et sur les réserves de gaz. Mais si un jour, comme l’imaginent certains, un ré- seau d’hydrogène était construit, il faudrait des installa- tions de grande taille avec une production assurée. La production à partir des hydrocarbures devrait bien sûr inclure la capture du CO2 si l’on voulait éviter l’intensi- fication de l’effet de serre conduisant au changement climatique. La voie hydrogène a repris de l’intérêt avec les éner- gies nouvelles dont le caractère intermittent conduit à la recherche de modes de stockage. Mais les problèmes à résoudre sont forts différents suivant les situations et les objectifs. On peut vouloir simplement tirer parti d’une énergie excédentaire ou faire face aux variations de charge, soit sur l’instant, soit d’une saison à l’autre ; on peut aussi chercher un carburant propre avec un réseau de dis- tribution, etc. Faire fonctionner une borne d’autoroute avec des cellules solaires n’est pas le même problème que remplacer un parc éolien offshore quand il n’y a pas de vent. C’est aussi différent suivant la position de l’unité par rap- port à l’ensemble du système électrique : Hydro-Québec a une bonne complémentarité éolien-hydraulique. Le pro- blème d’une île n’est pas celui d’un réseau continental. La question est donc de savoir si face aux difficultés de stockage et au coût de transport de l’électricité, passer par l’hydrogène apporte une solution. Techniquement tout est faisable mais l’efficacité économique est fort différente suivant les cheminements. La première remarque est que vu du producteur, éolien ou solaire, il n’y a pas de problème d’écoulement s’il est relié au réseau. Actuellement, il a un débouché REE N°2/2015 81 L'HYDROGÈNE DOSSIER 1 L’hydrogène, fée bienveillante ou démon tentateur Par Jacques Maire Directeur général honoraire de Gaz de France 82 REE N°2/2015 L'HYDROGÈNEDOSSIER 1 garanti en prix et en quantité. Même le jour où il vendra l’électricité sur le marché, comme son coût marginal est quasi nul il pourra toujours écouler sa production. Mais avant de se lancer dans des installations lourdes, il faut regarder la capacité du réseau et son éventuel renfor- cement. Il peut par contre se dire que, s’il pouvait stocker quand les prix sont bas, il pourrait vendre plus tard quand les prix seront hauts, (c’est ce que fait une usine hydraulique). Tout dépend du coût du stockage. Pour le responsable de l’équilibre général du ré- seau, il peut chercher un arbitrage entre des produc- tions de secours, des stockages, des renforcements de réseaux etc., mais qui est responsable de cet équi- libre général ? L’électricité n’est pas facilement stockable et relative- ment chère à transporter, il y a beaucoup de recherche à tous les stades mais on est loin de savoir ce qui sera possible et à quel prix ? D’où l’idée de regarder l’hydro- gène, un gaz étant a priori moins difficile à stocker mais quel avantage cela présente-t-il ? Il ne peut être qu’éco- nomique. En effet au niveau de l’utilisation, l’hydrogène n’ap- porte aucun avantage par rapport à l’utilisation directe de l’électricité qui est généralement plus simple et qui évite des étapes compliquées, surtout si, après l’électro- lyse, l’on veut revenir à l’électricité par une pile à com- bustibles. Ces deux étapes font perdre environ la moitié de l’électricité. La première étape est l’électrolyse. De nombreuses voies sont explorées mais, comparé au gaz naturel, le coût de l’hydrogène est élevé. Toutes les techniques ne sont pas non plus adaptées aux régimes de marche irré- guliers inhérents aux énergies intermittentes. Un ordre de grandeur de 7 USD/MBtu hors électri- cité est, semble-t-il, une estimation acceptable mais les cas où l’on peut compter pour 0 l’électricité ne peuvent être que des cas très rares et sur des périodes courtes. Or le chiffre précèdent correspond à des coûts fixes et à une utilisation continue ; dans la réalité il faut le corriger par l’utilisation, c’est-à-dire par exemple en multipliant par quatre si on tourne le quart du temps. L’hydrogène est alors beaucoup plus cher que le gaz naturel. Peut-être que sur une île où l’approvisionnement énergétique est cher, avec beaucoup de solaire et de vent, si l’on a résolu le stockage, cela sera concevable dans l’avenir. L’hydrogène apporte-t-il des avantages sur le plan du transport car le gaz est réputé moins cher à trans- porter que l’électricité mais on parle habituellement du gaz naturel et non de l’hydrogène. En fait la légèreté de l’hydrogène rend son transport assez coûteux. Comme le coût de transport d’un gaz dépend de son volume et des pressions (et non pas de la masse) le kWh est en première approximation quatre fois plus coûteux à transporter que celui du méthane, sans parler des diffi- cultés techniques. Pour comparer à l’électricité, il faudrait un schéma complet mais on peut avoir une idée en constatant que, pour des quantités comparables de kWh, les dépenses du RTE sont de l’ordre du double de celles du GRTGaz transportant du méthane, mais si ce dernier transportait de l’hydrogène dans les mêmes conditions il transporte- rait quatre fois moins de kWh dont le coût de transport serait ainsi d’environ le double de celui du kWh élec- trique. L’avantage transport est donc plus que douteux, d’ailleurs personne n’a émis l’idée de passer par l’hydro- gène pour le transport à longue distance d’électricité (éolien offshore, Afrique…). Le cas relativement favorable est le cas où l’on est proche d’un réseau de gaz, il n’y a qu’un problème de compression (sauf si l’électrolyseur est sous pression) et il n’y a pas besoin de stockage. La seule question est de savoir si, même en prenant l’électricité pour un prix nul, on peut parvenir à un prix du kWh inférieur à celui du gaz naturel, même en ne prenant pas en compte la différence de coût marginal de transport. C’est actuelle- ment loin d’être le cas. La question du stockage est encore plus difficile à trancher car les techniques pour l’hydrogène et pour l’électricité sont encore loin d’être complètement explo- rées et articuler des ordres de grandeur de ce qui sera possible à l’avenir équivaut à avancer dans l’inconnu. Tout dépend au demeurant de savoir si l’on parle de stockages fixes ou mobiles. Pour un stockage fixe pour absorber destiné à absorber des productions excédentaires, les conditions locales sont déterminantes. Un stockage souterrain est éventuellement possible, même si la légèreté pose des problèmes spécifiques, mais les coûts seront au moins quatre fois plus élevés au kWh que pour le gaz naturel et encore faut-il que la géologie s’y prête. De toute façon il faudra faire les comparaisons avec les autres options possibles, y compris de perdre les excédents. REE N°2/2015 83 L’hydrogène, fée bienveillante ou démon tentateur Pour le stockage sur les véhicules, les prototypes et les premières séries sont conçus avec des réservoirs a très haute pression (700 bars) en utilisant des techniques du spatial. Seront-elles adaptées à un usage grand public ? Les grandes inconnues sont pour l’hydrogène les stockages solides et pour l’élec- tricité les batteries. Comment se compareront dans l’avenir les deux voies ? Si l’on regarde les densités de stockage, l’hydrogène semble stockable dans de beaucoup plus grandes quantités par masse ou par volume et cet avantage devrait se traduire économiquement. 30 kWh par kg de stockage est un ordre de grandeur pour l’hydrogène même les spéculations les plus optimistes donnent 5 à 10 fois moins pour l’électricité. Pour les véhicules l’autonomie est un critère fort : on parle de 400 km pour l’hydrogène et de 150 pour l’électricité directe. Mais que deviendra cette différence dans l’avenir, la distance est-elle toujours un critère (livraisons en ville) ? Cet avantage compensera-il les coûts d’électrolyse et de pile à combustible ? La décarbonatation étant l’objectif, il faut surtout comparer la voie de l’hydrogène avec toutes les autres voies possibles. Les calculs économiques seraient plus faciles et cohérents si l’on disposait d’une valeur du carbone : espérons qu’on finira par sortir du désordre actuel. Les quelques réflexions ci-des- sus montrent les défis à relever pour faire arriver à des techniques maî- trisées techniquement et économi- quement. Il est difficile de conclure sur l’avenir de la voie hydrogène sinon de dire que l’on est au stade de la R&D et non à celui de l’exploi- tation, compte tenu des incerti- tudes techniques et économiques. Actuellement cette voie semble encore loin de la compétitivité et même de la faisabilité. Il ne faut sans doute pas en attendre un bouleversement du paysage énergétique mais peut être des solutions dans des configura- tions spécifiques. Jacques Maire est ancien élève de l’Ecole polytech- nique et ingénieur au Corps des mines. Il a été notamment directeur général de Gaz de France et a occupé plusieurs postes dans la haute fonction publique. Jusque en janvier 2013, il était président du conseil scientifique du Conseil Français de l’Energie, dont il reste membre. L'AUTEUR