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Edito : Produire dix fois plus d'hydrogène décarboné à un prix abordable : l'autre défi énergétique mondial…

Vendredi, 17/11/2023 - 00:00 0 commentaire
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René Trégouët
Sénateur Honoraire
Créateur du Groupe de Prospective du Sénat
Rédacteur en Chef de RT Flash

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EDITORIAL

Produire dix fois plus d'hydrogène décarboné à un prix abordable : l'autre défi énergétique mondial…

En mars dernier, l'AIE l'Agence internationale de l’énergie, révélait que les émissions mondiales de CO2 s'élevaient à 36,8 gigatonnes, en hausse de 0,9 % par rapport à 2021. Toutefois, l'AIE précise que la montée en puissance des énergies renouvelables, bien qu'encore insuffisante, avait quand même permis d'éviter l'émission de 550 millions de tonnes de CO2 supplémentaires. L'AIE souligne que pour effectuer sa transition énergétique, le monde doit surmonter deux défis majeurs. D'une part, la montée en puissance, pourtant réelle, des énergies renouvelables, ne va pas assez vite pour compenser l'augmentation de la demande globale d'énergie au niveau mondial : + 3 % en moyenne par an, à cause de la hausse de la population mondiale et de la croissance économique en Asie. Aujourd'hui, la production mondiale d'électricité (29 000 TWh par an), qui reste assurée à 60 % par les énergies fossiles, est devenue, de loin, la première source d'émissions de CO2 (42 %), loin devant les transports (25 %) ou l'industrie (18 %).

D'autre part, cette demande mondiale toujours plus forte d'énergie est comblée par les énergies fossiles, qui vont continuer à augmenter au moins jusqu'en 2028 : la consommation de pétrole va passer, selon l’AIE, de 103 à 108 millions de barils/jour, celle de charbon va passer de 8,3 milliards de tonnes en 2022 (record absolu) à 8,8 milliards en 2028. Seule la consommation mondiale de gaz s'est stabilisée à 4000 milliards de m3 par an. Résultat : si on extrapole les courbes d'offres et de demandes d'énergie, on voit, comme le souligne l'AIE, que les énergies fossiles, qui représentent encore 80 % de notre consommation mondiale d'énergie, en représenteront encore au moins 70 % en 2050, ce qui n'est pas envisageable si nous voulons éviter une catastrophe climatique majeure, avec un réchauffement de plus de quatre degrés.

Il y a quelques jours, une étude de Carbon Tracker et Global Energy Monitor révélait que les réserves mondiales de combustibles fossiles contenaient l'équivalent de 3 500 milliards de tonnes de CO2, qui seraient libérées dans l'atmosphère et viendraient aggraver le réchauffement climatique de manière catastrophique si elles étaient utilisées. Cette quantité de carbone représente plus que toutes les émissions produites depuis la révolution industrielle et environ trois fois le budget carbone restant pour respecter la température limite de 2°C (Voir Global Registry of Fossil Fuels).

Une nouvelle étude du College Imperial de Londres dirigée par le Dr Lamboll estime que pour garder plus de 50 % de chances de limiter le réchauffement à 1,5°C, il reste moins de 250 gigatonnes de dioxyde de carbone dans le budget carbone mondial. Ces chercheurs soulignent que si les émissions de dioxyde de carbone restent aux niveaux de 2022, soit environ 40 gigatonnes par an, le budget carbone mondial sera épuisé d’ici 2029, entraînant le monde vers un réchauffement de 1,5°C par rapport aux niveaux préindustriels. L’étude révèle que le budget carbone pour une probabilité de 50 % de limiter le réchauffement à 2°C est d’environ 1 200 gigatonnes, ce qui signifie que si les émissions de CO2 se poursuivent au même rythme, le budget carbone mondial pour rester sous les 2°C de réchauffement sera épuisé d’ici 2046...

Sachant que pour limiter la hausse des températures à 2 degrés (ce qui est déjà lourd de conséquences multiples), il faut absolument diminuer de 80 % nos émissions mondiales de CO2, pour redescendre à 10 gigatonnes par an (la quantité de CO2 que le monde émettait en 1963), considérée comme la quantité limite que la Terre peut absorber chaque année (à condition de reboiser massivement), il faut absolument actionner en même temps, et bien plus fortement, trois leviers : d'abord diminuer plus vite la consommation globale d'énergies fossiles, en instaurant une taxe carbone plus importante et suffisamment dissuasive sur ces énergies.

Ensuite multiplier par trois le rythme de progression des énergies renouvelables, ce qui suppose une suppression totale des avantages fiscaux et subventions publiques accordés aux fossiles et un développement massif des énergies marines (au sens large), c'est-à-dire éolien flottant géant, solaire flottant, hydrolien, énergie des vagues, énergie des marées, énergie osmotique. Mais ces énergies étant à forte intensité capitalistique (investissement lourds), il faut en favoriser le développement plus rapide et plus vaste grâce à un cadre fiscal plus incitatif. Dernier levier, mais non le moindre, il faut réorganiser globalement nos sociétés (urbanisme, travail, transport, agriculture, industrie et consommation), pour diviser par deux, "à la source", nos besoins en énergie.

Selon l'AIE, le développement des énergies propres est le principal levier pour faire baisser la demande de combustibles fossiles de plus de 25 % cette décennie et leur essor peut conduire à une baisse des émissions de CO2 dans l'énergie de 35 % d'ici 2030. L'AIE a récemment affirmé que le pic de la demande de toutes les énergies fossiles – pétrole, gaz et charbon – sera atteint « dans les prochaines années » de la décennie, grâce à l’essor considérable des énergies plus propres et des transports décarbonés. Reste que la consommation mondiale de charbon, tirée par la Chine qui en consomme la moitié, n'a jamais été aussi élevée et a augmenté de 3,3 % en 2022, pour atteindre 8,3 milliards de tonnes, plus d'une tonne par terrien...Quant à la consommation de pétrole, elle repart également à la hausse avec 100 millions de barils/jours en 2022 et un pic pétrolier mondial à 107 millions de barils/jours, qui n'est pas attendu avant 2028.

Le nécessaire développement massif de toutes les énergies renouvelables (éolien, solaire, énergies marines, hydrogène naturel) ne suffira donc pas pour atteindre à temps la neutralité carbone qui doit stabiliser le climat. Il va falloir également réduire considérablement, le plus tôt possible, notre consommation globale d'énergie, pour la diviser par deux d'ici 25 ans. Le Conseil européen a entériné le 9 octobre dernier les nouvelles mesures adoptées récemment par le Parlement européen qui fixent l'objectif contraignant d'au moins 42,5 % d'énergies renouvelables dans la consommation européenne d'ici 2030, contre un niveau actuel d'environ 22 %. L'UE prévoit aussi 49 % de renouvelables dans la consommation énergétique des bâtiments. Enfin, en 2030, dans chaque pays, l'hydrogène utilisé par l'industrie devra à hauteur d'au moins 42 % avoir été fabriqué à partir d'énergies renouvelables.

C'est dans ce contexte énergétique, climatique et économique mondial que l'hydrogène apparaît plus que jamais comme le vecteur et la source d'énergie propre indispensable pour accélérer la décarbonation globale de l'Humanité. La production mondiale d'hydrogène, en augmentation constante, représentait environ 95 millions de tonnes en 2022, dont 62 % provient du vaporeformage du méthane, 18 % de l'oxydation partielle du pétrole, 19 % de la gazéification du charbon. Produit presque entièrement à partir d’énergies fossiles, cet hydrogène a généré 900 mégatonnes de CO2, soit plus de 2 % des émissions mondiales de CO2.Le dernier rapport de McKinsey prévoit une multiplication par cinq de la demande en hydrogène, pour atteindre 600 millions de tonnes par an d'ici 2050. L’AIE (Agence Internationale de l'Energie) estime pour sa part qu’un développement massif de l’hydrogène est nécessaire pour accélérer la transition énergétique mondiale et prévoit, comme Mc Kinsey, une demande mondiale d'hydrogène multipliée par plus de six par rapport au niveau actuel, ce qui permettrait à l'hydrogène de représenter 10 % de la consommation totale d'énergie finale dans le monde d'ici 2050.

Mais l'AIE souligne que cet hydrogène, qui nécessitera environ 4000 TWH d'électricité dédiée (soit 10 % de la production mondiale d'électricité prévue en 2040), devra impérativement être produit de manière décarbonée, c’est-à-dire essentiellement par électrolyse, en utilisant de l’électricité issue de sources d'énergie elles-mêmes neutres en carbone, comme le nucléaire, le solaire, l'éolien et les énergies marines. Le modèle Hydrogen Pathway Explorer (HyPE) retenu par le rapport de Deloitte, retient également ce chiffre de 600 millions de tonnes d'hydrogène produit en 2050 à l’échelle mondiale. Cette étude de référence estime que le marché mondial de l'hydrogène vert pourrait atteindre 1 400 milliards de dollars en 2050, soit dix fois plus que le marché global de l'hydrogène en 2022 et montre également que ce développement de l’hydrogène propre pourrait permettre de réduire jusqu’à 85 gigatonnes d’émissions cumulées de CO2 d’ici 2050, soit plus du double des émissions mondiales de CO2 en 2022 (Voir Deloitte).

En matière de stockage massif et bon marché de l'hydrogène, des chercheurs japonais de l'Université de Kyushuont ont mis au point un nouveau matériau porteur d’énergie hydrogène capable de stocker l’énergie hydrogène pendant plusieurs mois de manière efficace et potentiellement moins coûteuse. Chaque molécule peut stocker un électron de l’hydrogène à température ambiante et peut ensuite restituer l’énergie stockée. Bien qu’il existe de nombreux vecteurs pour stocker et acheminer l’hydrogène, ammoniac, acide formique ou hydrures métalliques, tous ces moyens se heurtent à des limites énergétiques. Cette équipe, en s'inspirant de la Nature, a montré qu'une série d’enzymes appelées hydrogénases catalysent l’hydrogène en protons et en électrons et peuvent stocker cette énergie pour une utilisation ultérieure, même à température ambiante. En outre, Le processus repose sur le nickel, un élément peu coûteux, ce qui n’est pas le cas des catalyseurs utilisant des métaux rares, comme le platine, le rhodium ou l’iridium.

Le 4 juillet dernier, Patricia de Rango, Daniel Fruchart, Albin Chaise et Nataliya Skryabina, chercheurs au CNRS à Grenoble, et Michel Jehan, leur partenaire industriel, ont été récompensés par le prestigieux prix de l'inventeur décerné par l'Office Européen des Brevets. Ces scientifiques, qui avaient déjà participé à la création de la société Mc Phy en 2008 (à présent recentrée sur la fabrication d'électrolyseurs très performants), ont développé une méthode de stockage de l'hydrogène très novatrice, sous forme de disques solides, plus sûre, plus durable et moins énergivore. Cette solution à base d'hydrure de magnésium (un matériau recyclable), permet de stocker l'hydrogène sous forme de galettes solides. Cette solution est bien plus sûre que l'hydrogène sous forme de gaz qui risque d'exploser à température ambiante.

La compacité volumique de cet hydrogène solide est aussi très intéressante. Dans un récipient de 1 mètre cube, on pourra mettre l'équivalent de 42 kilogrammes d'hydrogène sous forme de gaz comprimé à 700 bars, 70 kilogrammes d'hydrogène sous forme liquide, et 112 kilogrammes d'hydrogène solide avec ce stockage au magnésium. Cette forte densité de stockage se traduit logiquement par une forte densité énergétique : 1 kg d’hydrure de magnésium stocke 33 kWh alors qu’une batterie électrochimique Li-ion du même poids avoisine les 0,3 kWh, cent fois moins d’énergie. Cette rupture technologique majeure ouvre ainsi la porte à un stockage massif de l’hydrogène.

Une autre avancée majeure récente concerne la production d'hydrogène par certaines enzymes présentes dans les algues et les bactéries. Une équipe de chercheurs associant le IT et l'Université de Bochum a réussi à augmenter considérablement la stabilité de ces enzymes face à l’oxygène, ouvrant ainsi la voie à une utilisation commerciale de l’hydrogène produit par ce processus comme source d’énergie verte. En bloquant génétiquement certains canaux dans l’enzyme [FeFe] hydrogénase CpI, ces chercheurs sont parvenus à augmenter sa stabilité à l’oxygène, ouvrant la voie vers une production d'hydrogène vert bien plus efficace et plus durable (Voir myscience).

Il y a quelques semaines, une autre équipe du MIT a développé un système d'énergie solaire concentrée (CSP) capable de produire de l’hydrogène vert. Cette technique permet d'utiliser jusqu'à 40 % de la chaleur du soleil, contre seulement 7 % pour les systèmes actuels. Le procédé développé, baptisé hydrogène thermochimique solaire (STCH), a un coût de fonctionnement peu élevé. Dans ce processus, l’eau sous forme de vapeur est d'abord exposée à un métal, ce qui l’amène à capter l’oxygène de la vapeur, laissant de l’hydrogène derrière lui. Une fois l’hydrogène séparé, le métal oxydé est réchauffé sous vide, ce qui inverse le processus de rouille et régénère le métal. Une fois l’oxygène éliminé, le métal peut être refroidi et exposé à nouveau à la vapeur pour produire davantage d’hydrogène. Ce processus peut être répété au sein de récipients en métal dans lesquels la séparation physico-chimique entre l’oxygène et l’hydrogène est effectuée (Voir MIT).

Une autre rupture technologique en matière de production massive, propre et sobre d’hydrogène, commence à faire parler d’elle. Il s’agit d’électrolyse du méthane, également appelée plasmalyse. L’entreprise allemande de la production d’hydrogène, Graforce, et le spécialiste mondial des services d’ingénierie et de réalisation de projets, Worley, ont annoncé un partenariat pour développer cette technologie prometteuse dans le monde. Cette technique, qui permet la production d’hydrogène sans émissions de CO2 ou d’autres gaz à effet de serre, est alimentée par le gaz naturel, le gaz naturel liquéfié (GNL), et d’autres hydrocarbures. La plasmalyse consomme cinq fois moins d’électricité que l’électrolyse pour produire la même quantité d’hydrogène. Une installation de 20 mégawatts peut ainsi convertir environ 70 000 tonnes métriques de méthane en hydrogène par an, tout en éliminant près de 200 000 tonnes métriques d’émissions de CO2. Cette alliance entre Graforce et Worley pourrait donc bien marquer le début d’une nouvelle ère dans la production d’hydrogène durable. En France, plusieurs jeunes entreprises, dont Sakowin et HyPlasma, se sont également lancées sur ce nouveau marché très prometteur de la production d’hydrogène par plasmalyse.

La France pourrait produire en 2050 le quart de son électricité (150 TWh par an) à partir de l'éolien marin, ce qui ouvre également la voie à une production nationale massive d'hydrogène vert retransformable, en fonction des besoins, en électricité... En juin dernier, la société Lhyfe, basée à Nantes, a réussi à produire pour la première fois à l'échelle mondiale de l'hydrogène vert à partir de l'électricité fournie par une éolienne flottante au large du Croisic (Loire Atlantique). Installé à 20 kilomètres des côtes, ce site de production d'hydrogène offshore appelé SeaLhyfe a été raccordé en juin dernier au site d'expérimentations Sem-Rev, qui accueille depuis cinq ans une éolienne flottante. Cette plate-forme intègre un électrolyseur capable de transformer l'eau de mer, dessalée sur place, en hydrogène et en oxygène, grâce à l'énergie électrique fournie par l'éolienne flottante située à proximité. Ce site de production expérimental est capable de produire 400 kilos d'hydrogène par jour, soit 1 mégawatt de puissance. « Nous voulions prouver qu'il est possible de produire de l'hydrogène vert à partir de l'éolien offshore, qui représente un potentiel considérable pour massifier sa production et décarboner plus rapidement l'industrie et le transport », souligne Matthieu Guesné, fondateur et PDG de Lhyfe, qui vient également d’être retenu, dans le cadre d’un consortium de neuf entreprises, pour un appel d'offres européen, afin de coordonner le projet Hope, un site de production d'hydrogène sur un parc éolien marin géant situé au large d'Ostende (Belgique). Ce site, annoncé pour 2026, sera pour la première fois relié à un pipeline qui acheminera l'hydrogène à terre. Une récente étude réalisée par DNV indique que l’Europe pourrait produire vers 2030, pour un coût final de moins de cinq euros le kg, plus de 300 TWH de puissance, uniquement grâce à l’hydrogène vert issu de l’éolien marin (Voir DNV).

Ce binôme énergétique hydrogène-éolien pourra également être complété par le binôme, non moins efficace, hydrogène-solaire : Duke Energy, producteur et distributeur d’énergie américain, va construire, à Debary (Floride), une installation qui produira directement de l’électricité à partir d’hydrogène vert. Unique en son genre, elle réunira une centrale solaire alimentant deux électrolyseurs qui fourniront l’hydrogène à une turbine thermique. Ce site de production rassemblera sur le même site une centrale solaire de 74 mégawatts, déjà en service, fournissant de l'énergie à deux électrolyseurs de 1 MW chacun qui produiront de l’hydrogène alimentant une turbine à combustion. Cet hydrogène vert sera stocké, au fur et à mesure de sa production, dans des conteneurs sous pression, qui alimenteront la turbine en fonction de la demande : en période de faible demande, bouclant ainsi une boucle énergétique souple et vertueuse.

Pour terminer ce trop rapide tour d’horizon des immenses perspectives énergétiques ouvertes par la production massive et propre d’hydrogène, je veux enfin évoquer à nouveau l’incroyable potentiel, qui ne cesse de se confirmer, de l’hydrogène "blanc" ou naturel. La société australienne Gold Hydrogen vient ainsi de découvrir, à 1000 mètres de profondeur, dans la péninsule de Yorke (Australie méridionale), un gisement d’hydrogène pur à 73 % d’hydrogène, bien plus important que prévu, qui semble être produit en continu, sous l’effet de différents processus géologiques (Voir PV Magazine).

Je rappelle enfin qu'il y a quelques mois, des travaux menés par Philippe de Donato et Jacques Pironon, directeurs de recherche au laboratoire GeoRessources de Nancy, ont révélé la présence d'un énorme gisement d'hydrogène naturel dans le sous-sol de la commune de Folschviller. Ces chercheurs ont découvert que la concentration d’hydrogène augmentait avec la profondeur pour atteindre 90 % à 3000 mètres de profondeur. Selon les premières estimations, ce gisement lorrain pourrait contenir jusqu'à 46 millions de tonnes d'hydrogène blanc, c'est-à-dire plus de la moitié de la production annuelle mondiale actuelle d'hydrogène "gris", issu des énergies fossiles. Sur ce site également, l’hydrogène naturel serait produit en continu, par réaction d’oxydation entre l’eau et le carbonate de fer, et ce gisement pourrait donc être inépuisable…

Il faut enfin tordre le cou à une affirmation inexacte souvent reprise dans les médias et qui prétend que les fuites qui résulteront invisiblement d’une production et d’une distribution massive d’hydrogène pourraient aggraver de manière sensible le réchauffement climatique. Une récente étude réalisée par des chimistes de l’Université de Cambridge montre en effet que, même en prenant des hypothèses très optimistes de production d’hydrogène pour 2050, et en supposant un taux de fuite relativement important, la contribution de ces fuites au réchauffement climatique resterait marginale (Voir EGU).

On le voit, la production massive d’hydrogène propre, soit d’origine renouvelable, soit d’origine naturelle, est devenue un enjeu énergétique, climatique et économique majeur. Notre pays, qui a toutes les cartes en mains pour devenir leader dans ce domaine, ne doit pas rater cette révolution technologique et industrielle et doit encore accentuer ses efforts de recherche, pour devenir demain, en sachant exploiter ses énormes ressources en énergies éolienne et solaire et ces gisements non moins considérables d’hydrogène naturel, un acteur mondial de premier plan dans cette économie de l’hydrogène qui émerge…

René TRÉGOUËT

Sénateur honoraire

Fondateur du Groupe de Prospective du Sénat

e-mail : tregouet@gmail.com

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