Production d'hydrogène vert durable

Parmi les diverses méthodes de production de l'hydrogène, l'hydrogène vert est la référence sur le long terme. La production d'hydrogène vert est entièrement alimentée par des sources d'énergie renouvelables, comme le solaire, le vent et l'énergie hydroélectrique, ce qui en fait un carburant neutre en carbone de la production à la combustion. Cela le distingue d'autres types d'hydrogène, y compris l'hydrogène gris, qui est dérivé de combustibles fossiles.

L'électrolyse est la base de la production d'hydrogène vert, utilisant l'électricité pour diviser les molécules d'eau dans leurs composants hydrogène et oxygène. Cependant, les capacités, l'efficacité et les contraintes de coût posent des problèmes pour accélérer rapidement la production.

L'électrolyse est un process de réactions électrochimiques et de transport ionique qui se déroule dans un électrolyseur. Les électrolyseurs sont équipés de deux électrodes, une anode et une cathode, séparées par un électrolyte. Cet électrolyte, une solution liquide (pour les électrolyseurs alcalins) ou une membrane à état solide (pour les électrolyseurs PEM), facilite le passage des ions tout en limitant le débit des électrons, et il doit être sélectionné avec soin en fonction de facteurs comme la conductivité ionique, la stabilité chimique et la compatibilité avec les matériaux de l'électrode.

Lorsqu'un courant continu est appliqué à l'eau liquide à l’intérieur de l'électrolyseur, une différence de potentiel électrique est établie entre l'anode et la cathode. À l'anode, qui possède un potentiel positif, les molécules d'eau (H₂O) subissent une réaction d'oxydation provoquant une perte d'électrons. Il en résulte la formation de gaz d'oxygène (O₂) et d'ions hydrogène chargés positivement (protons, H +), et les électrons sont transférés dans le circuit externe, ce qui est représenté dans les électrolyseurs à membrane échangeuse de protons (PEM) comme suit :

2 H₂O(l) → O₂(g) + 4 H+(aq) + 4 e−

Les protons H+ migrent à travers l'électrolyte vers la cathode chargée négativement, affectée par le gradient potentiel. La cathode favorise une réaction de réduction, où les protons acceptent facilement des électrons du circuit externe pour neutraliser leur charge et former l'hydrogène gazeux (H₂) :

2 H+(aq) + 2 e− → H₂(g)

La réaction électrolytique globale, une somme d'oxydation anodique et de réduction cathodique, est représentée comme suit :

2 H₂O(l) → 2 H₂(g) + O₂(g)

L'efficacité de ce process a des répercussions majeures sur la viabilité économique de la production d'hydrogène vert. Plusieurs facteurs jouent sur cette efficacité, notamment :

• Température de fonctionnement, pression et pureté de l'eau maintenues dans le système, qui doivent être mesurées avec précision
• Surtension requise pour entraîner les réactions à un taux souhaité 
• Pertes ohmiques dues à la résistance au transport des ions dans l'électrolyte 
• Limitations du transport de masse régissant la disponibilité des réactifs aux surfaces de l'électrode 

L'optimisation de ces variables nécessite une sélection rigoureuse des matériaux, une étude de l'architecture de l'électrode et une mesure et un contrôle de tous les paramètres pertinents. Parmi les diverses technologies d'électrolyseurs actuellement disponibles, les électrolyseurs alcalins et PEM sont les plus matures d'un point de vue technologique et les plus courants.

Les électrolyseurs PEM, caractérisés par l'utilisation d'une membrane polymère solide comme électrolyte, présentent plusieurs avantages par rapport aux technologies utilisant un électrolyte liquide, notamment une plus grande efficacité énergétique, des temps de réponse plus rapides aux variations de puissance absorbée et un design compact. Ces attributs font des électrolyseur PEM la solution idéale pour une intégration avec des sources d'énergie renouvelables intermittentes comme les énergies solaire et éolienne, où la puissance électrique peut varier considérablement. Les laboratoires et autres opérations où l'accent est mis sur des utilisations finales ultra-pures optent en général également pour ces électrolyseurs.

Les électrolyseurs alcalins ayant un électrolyte liquide ne sont pas aussi efficaces, mais ils coûtent moins cher, ont un cycle de vie opérationnel plus long et nécessitent une pureté d'eau plus faible que les modèles PEM. Ces facteurs les rendent attrayants dans les grandes installations de production d'hydrogène vert, où les coûts et les échelles sont les principaux moteurs. 

Parmi les autres technologies en cours de développement, on compte l'électrolyse à haute température ou à oxyde solide et une membrane d'échange d'anions. Chacune présente des avantages concurrentiels dépendant de l'application dans la course aux technologies de production d'hydrogène.

En dépit de son attrait en tant que carburant durable tout au long de la chaîne de valeur, la production d'hydrogène vert présente plusieurs défis.

Premièrement, la production par électrolyse - notamment avec les électrolyseurs PEM - est plus chère que la production d'hydrogène gris et bleu par reformage du méthane à la vapeur ou de reformage autothermique. En outre, l'hydrogène a une plus faible teneur énergétique que le gaz naturel et les autres combustibles fossiles et les coûts nécessaire à alimenter les process hydrogène dépassent ceux des combustibles fossiles par unité énergétique.

L'efficacité de l'électrolyseur au niveau des empilages est élevée - environ 70 % - avec des technologies plus récentes comme les cellules électrolytiques à oxyde solide (SOEC), qui devraient fournir une efficacité encore plus élevée. Toutefois, comme pour tout système, l'efficacité globale des installations dépend non seulement de la technologie utilisée, mais aussi de l'équilibre des installations pour le refroidissement, le séchage, le traitement et la compression de l'hydrogène. De plus, l'approvisionnement en énergie renouvelable nécessaire à la généralisation viable de l'électrolyse manque, ce qui rend nécessaires des investissements supplémentaires dans l'infrastructure.

En outre, le transport et le stockage de l'hydrogène sont complexes d'un point de vue logistique en raison de la nécessité d'une infrastructure spécialisée, comme les canalisations et les réservoirs de stockage, conçus spécifiquement pour traiter ce composé très inflammable. L'infrastructure actuelle est conçue principalement pour le gaz naturel et malheureusement, elle ne peut pas être facilement convertie en raison des propriétés uniques de l'hydrogène. Les atomes d'hydrogène sont les plus petits de tout élément, de sorte que le gaz d'hydrogène diatomique exige une canalisation, une vanne et des joints d'étanchéité sophistiqués pour éviter les fuites. Il peut également affaiblir de nombreux métaux, les atomes étant déposés dans la structure interne du contenant, ce qui réduit le seuil de contrainte et accélère la fissuration dans des matériaux inadaptés.

Pallier à ces problèmes nécessite une planification stratégique, un soutien financier des pays et des acteurs privés, et une innovation technologique continue. Malgré des obstacles économiques, le déploiement des électrolyseurs commence à s'accélérer. À la fin de 2022, la capacité mondiale des électrolyseurs pour la production d'hydrogène avait atteint près de 11 GW et la capacité devrait atteindre des ordres de grandeur de 170-365 GW d'ici 2030.

En outre, les efforts d'optimisation des électrolyseurs devraient réduire les coûts grâce à l'efficacité d'échelle, à l'apprentissage et à l'efficacité dans les décennies à venir. Cela inclut de cibler une exploitation plus élevée d'énergie provenant de sources renouvelables, ainsi que la récupération des pertes d'énergie intrinsèques en cours de fonctionnement. Les technologies adjacentes, telles que les piles à combustible hydrogène, qui correspondent à des électrolyseurs dans l'autre sens, vont surfer sur la vague et sur le savoir-faire acquis au cours de cette transition.

Au-delà de la production, une infrastructure d'hydrogène dédiée est également essentielle. La viabilité croissante de l'hydrogène comme source d'énergie alternative dépend de l'intensification des mécanismes nécessaires à la distribution et à la conversion de son énergie en formats utiles.

La demande mondiale en hydrogène devrait croître au cours des 20 à 30 prochaines années, grâce à sa polyvalence en tant vecteur énergétique et à son potentiel de réduction des émissions de carbone dans les secteurs où une réduction est difficile. En particulier, les industries de transport et de production d'électricité sont prêtes à adopter l'hydrogène vert dans leurs portefeuilles comme une alternative propre aux combustibles fossiles.

Dans le secteur du transport, les piles à combustible à hydrogène vert offrent une solution prometteuse pour le transport commercial neutre en carbone, comme les camions, les bus et même les avions. Ceci est notamment applicable aux transports interurbains, où les véhicules électriques alimentés sur batteries font face à des limitations de puissance, de production d'électricité et de poids.

Dans l'industrie, l'hydrogène peut remplacer les combustibles fossiles dans les process énergivores comme l'acier, le ciment et la production d'ammoniac, réduisant ainsi l'empreinte carbone. En outre, le secteur de l'énergie devrait exploiter de plus en plus l'hydrogène vert pour stocker l'énergie obtenue à partir de nouvelles infrastructures renouvelables, répondant ainsi aux problèmes de variations propres aux énergies solaire et éolienne, sans les problèmes de densité énergétique et de dégradation des batteries.

L'hydrogène est même mélangé dans le système de distribution du gaz naturel afin de réduire les émissions de carbone dans l'atmosphère. Les poêles à gaz, les systèmes de chauffage, les sèche-linges et autres appareils peuvent brûler du gaz naturel avec un mélange d'hydrogène de jusqu'à 20 %, ce qui est souvent limité seulement par les seuils définis des infrastructures de gaz. Les nouvelles turbines à gaz et les moteurs à gaz peuvent maintenant mélanger jusqu'à 50 % d'hydrogène dans le gaz naturel comme source de combustible dans les centrales électriques, et certaines turbines plus petites jusqu'à 100 % d'hydrogène, sans mélange nécessaire dans le gaz naturel.

Avec un esprit intrépide, la multinationale espagnole Iberdrola démontre sa confiance dans l'économie de l'hydrogène avec plus de 60 projets d'hydrogène vert dans le monde entier. Ces projets couvrent divers secteurs, y compris la production d'engrais, la synthèse d'ammoniac vert et le transport lourd, ce qui démontre la polyvalence de l'hydrogène vert comme solution d'énergie propre.

Surtout, Iberdrola construit la plus grande usine d'hydrogène vert en Europe, qui sera principalement utilisée pour créer l'ammoniac pour les engrais, réduisant ainsi l'impact écologique de cette industrie. Ce projet historique souligne le potentiel de l'hydrogène vert à décarboner même les secteurs les plus difficiles.

Les initiatives gouvernementales jouent également un rôle crucial dans l'accélération de la généralisation de l'hydrogène vert. L'initiative HyBlend du U.S. Department of Energy (DOE) fait progresser l'hydrogène vert en recherchant comment l'hydrogène peut être mélangé sans risque avec le gaz naturel et transporté dans les canalisations existantes. Elle se concentre sur la compatibilité des canalisations, sur la sécurité des matériaux et sur la réduction des coûts, rendant la distribution d'hydrogène vert plus abordable et évolutive.

L'hydrogène vert est une pierre angulaire de la révolution énergétique, et il jouera un rôle de plus en plus important en tant que technologie. Toutefois, déployer son potentiel implique de relever les défis en termes de production, de stockage, de transport et d'infrastructure. Cela implique d'autres investissements dans la recherche et le développement, une coopération stratégique entre les entités publiques et privées et des politiques gouvernementales favorables.

Avec le développement des infrastructures d'hydrogène et d'énergies renouvelables, l'augmentation de l'efficacité de l'électrolyse et l'évolution des politiques, les coûts de production d'hydrogène vert devraient diminuer, ce qui pallierait à une autre barrière à son déploiement. Il faudra davantage d'entreprises tournées vers l'avenir et des initiatives plus importantes pour ouvrir la voie vers l'économie de l'hydrogène, avec des projets ambitieux et des solutions innovantes, pour réduire les émissions de carbone et assurer un avenir durable.