Hydrogène : l’énergie de demain ?

Une énergie prometteuse… qui se fait attendre

Après moult faux départs, l’urgence climatique semble enfin sonner l’heure de la transition vers l’hydrogène.

L’hydrogène est depuis longtemps présenté comme un possible successeur au pétrole, qu’il pourrait supplanter en vertu de ses faibles émissions de gaz à effet de serre. La combustion de l’hydrogène ne génère en effet que de l’eau, là où les hydrocarbures émettent de nombreux gaz à effet de serre, parfois toxiques et des particules fines, dangereuses pour la santé. Malgré ce potentiel, les surcoûts liés à la transition vers cette énergie dite « décarbonée » ont jusqu’ici freiné son essor. Mais face à l’urgence climatique, plusieurs pays annoncent des objectifs ambitieux visant à atteindre la neutralité carbone – promise à l’horizon 2050 en Europe, 2060 en Chine, par exemple. Une transition dans laquelle l’hydrogène est appelé à jouer un rôle central, à condition que l’on parvienne effectivement à le produire, à le transporter et à le stocker dans des conditions environnementales et économiques acceptables. Ce qui n’est pas totalement acquis. Ces défis font l’objet de plans nationaux annoncés au cours des derniers mois, visant à lever ces freins grâce à des investissements massifs en faveur du développement d’une filière hydrogène viable. La France, par exemple, a rendu publique en septembre 2020 sa « Stratégie nationale pour le développement de l’hydrogène décarboné », dotée de 7 milliards d’euros d’ici à 2030. Un montant équivalent à l’effort annoncé cette même année par le Portugal, et légèrement inférieur à celui prévu par l’Allemagne (9 milliards). Ceci dans la lignée des feuilles de route déjà programmées par d’autres États : Pays-Bas, Corée, Japon, États-Unis, etc.

Une production maîtrisée… mais polluante

Des transports propres… mais chers

L’hydrogène est envisagé comme une solution prometteuse pour rendre la mobilité plus vertueuse, avec l’avantage d’une autonomie compétitive, supérieure à celle des batteries électriques, sans l’inconvénient du temps de recharge. En pratique, c’est cependant pour le rail et le fret maritime que la technologie semble la mieux adaptée, car les contraintes liées à la sécurité et au stockage de l’hydrogène à bord y sont moins fortes que pour les transports individuels. Et le surcoût moins sensible. 

Léger… mais délicat à transporter 

La légèreté pourrait sembler un avantage pour le transport. Au contraire, elle induit des contraintes fortes en termes de pression et de température. 

L’hydrogène est le plus léger des atomes : son noyau ne dispose que d’un seul proton, et aucun neutron. Et il est, sous sa forme H2 (dihydrogène), le plus léger des gaz : deux fois plus que l’hélium et onze fois plus que l’air que nous respirons. Revers de la médaille : il est, à masse égale, plus volumineux que tout autre gaz, ce qui pose un problème d’encombrement lorsque l’on souhaite le stocker ou le transporter. Il faudrait, par exemple, un réservoir de 11 000 litres pour stocker la quantité de dihydrogène (1 kg) nécessaire pour parcourir 100 km en voiture. Deux options sont possibles pour contourner ce problème : le refroidir à -252,87 °C, pour atteindre sa température de liquéfaction. On peut alors parcourir 100 km avec un réservoir de 15 litres d’hydrogène liquide. Mais maintenir une température aussi basse est une vraie gageure : cette solution n’est utilisée que dans des cas très spécifiques et exigeants, comme pour les réservoirs des fusées spatiales. La plupart du temps, la solution retenue consiste à comprimer le gaz (sous 350 à 700 bars de pression) pour augmenter sa densité, et donc réduire son volume. À 700 bars, la quantité nécessaire pour parcourir 100 km tient dans un volume de 25 litres. Ce qui nécessite tout de même des réservoirs à la fois très résistants et parfaitement étanches pour éviter les fuites : la molécule de dihydrogène est si petite qu’elle parvient à migrer à travers de nombreux matériaux, dont le métal, qu’elle peut fragiliser et rendre cassant. D’où l’utilisation, par exemple, de bonbonnes en matériaux composites tissés (pour la résistance) dont l’intérieur est tapissé de résine polymère (pour l’étanchéité).

Abondant… mais pas sur Terre

Présent en grandes quantités dans l’Univers, l’hydrogène est paradoxalement quasi inexistant sur Terre sous sa forme gazeuse.

C’est tout le paradoxe de l’hydrogène : il est à la fois abondant… et rare. Abondant parce que c’est l’un des tout premiers atomes apparus dans l’Univers, dans les fractions de seconde qui ont suivi le Big Bang il y a 13,8 milliards d’années, et qu’il reste l’élément chimique le plus présent, de très loin, avec à lui seul 74 % de la masse totale de l’Univers visible. On le trouve dans l’espace interstellaire, et c’est le « carburant » de la formation des galaxies : il est notamment le principal constituant des étoiles, comme notre Soleil. Mais sur Terre en revanche, l’hydrogène se fait rare. Du moins sous sa forme gazeuse (la molécule de dihydrogène : H₂), celle que l’on utilise dans les piles à combustible. Le dihydrogène est bien présent dans l’atmosphère, mais en quantités infimes : 0,000055 % en volume, loin derrière l’azote (78 %), l’oxygène (21 %), l’argon (0,93 %) ou encore le CO₂ (0,04 %). Il est si léger qu’il s’échappe dans l’espace. Ce qui explique que, sur Terre, l’hydrogène étant par ailleurs extrêmement sensible et réactif, on ne le trouve généralement qu’associé avec d’autres atomes pour former des composés chimiques, comme l’eau (H₂O) ou des hydrocarbures, comme le méthane (CH₄). Ce qui nécessite une étape préliminaire de production pour extraire le dihydrogène de ces différentes formes, avant de pouvoir l’utiliser.

Un vecteur d’électricité… mais difficile à stocker

L’hydrogène pourrait notamment servir à lisser les fluctuations récurrentes du réseau électrique. Mais le procédé fait encore débat.

Instrument privilégié de transition vers une mobilité décarbonée, l’hydrogène pourrait aussi régler le problème du stockage transitoire de l’énergie à grande échelle. Le principe est plutôt simple, du moins sur le papier : lorsqu’une centrale électrique (nucléaire, à charbon, éolienne ou solaire) produit plus d’électricité que ce qui est consommé sur le réseau, ce surplus peut être utilisé pour produire de l’hydrogène, par électrolyse de l’eau. Cette réserve d’hydrogène pourrait ensuite être utilisée pour restituer de l’électricité à l’aide d’une pile à combustible, lors de pics de consommation. Cette technique permettrait notamment de compenser les fluctuations de production des énergies renouvelables intermittentes (solaire, éolien), qui ne produisent pas forcément l’électricité au moment où on en a le plus besoin. En pratique, cela signifie qu’il faudrait disposer d’installations de conversion électricité/hydrogène de grandes capacités, pas trop coûteuses, et être capable de stocker de grands volumes d’hydrogène. Une piste envisagée consisterait à l’injecter dans des cavités salines souterraines creusées dans le sous-sol jusqu’à 2 km de profondeur, le sel formant une barrière naturelle étanche. Une solution déjà utilisée pour le stockage de gaz naturel, mais qui se heurte souvent – dans le cas de l’hydrogène – à l’inquiétude des riverains, par crainte de fuites ou d’explosion.