De nombreuses industries envisagent l'hydrogène comme source d'énergie propre, mais les approvisionnements en hydrogène vert étant limités, nous devrions donner la priorité aux domaines dans lesquels il pourrait avoir l'impact le plus positif sur les émissions de carbone, affirment les chercheurs.
L’hydrogène vert a de nombreuses utilisations possibles
L'hydrogène, l'élément le plus abondant, dégage de l'énergie lorsqu'il est combiné avec l'oxygène, et le seul sous-produit est l'eau. C’est pourquoi les politiciens l’ont présenté comme le couteau suisse du changement climatique, capable d’alimenter une vaste gamme de véhicules et de processus industriels fonctionnant actuellement aux combustibles fossiles.
Cependant, 99 % de l’approvisionnement actuel en hydrogène est de l’hydrogène « gris », produit par la décomposition du méthane ou du gaz de houille, un processus qui libère du dioxyde de carbone. Pour atteindre zéro émission nette, de nombreux pays envisagent de s’appuyer plutôt sur l’hydrogène « bleu », où ce CO2 serait capté par la cheminée et injecté sous terre, ou sur l’hydrogène « vert », produit en divisant l’eau avec de l’électricité renouvelable.
L’hydrogène vert est « un pari important que les pays occidentaux devraient faire » pour rivaliser avec la Chine dans les technologies propres, a déclaré le chef des Nations Unies, Antonio Guterres, lors d’une conférence le 3 décembre.
Le problème est que l’hydrogène bas carbone est au moins deux fois plus cher que l’hydrogène gris. Accroître la production pour qu’elle devienne moins chère nécessitera des subventions gouvernementales. Alors que des pays comme l’Union européenne soutiennent l’industrie, le président Donald Trump a commencé à annuler les pôles d’hydrogène à faible émission de carbone prévus dans le cadre d’un programme de 7 milliards de dollars aux États-Unis.
En raison de ces vents contraires, le cabinet d’analystes BloombergNEF a réduit de moitié ses prévisions de production d’hydrogène à faible teneur en carbone, à seulement 5,5 millions de tonnes d’ici 2030, soit environ 5 % de la consommation actuelle d’hydrogène gris. L’offre étant limitée, les gouvernements et les entreprises devraient se concentrer uniquement sur les utilisations de l’hydrogène propre qui sont les plus sensées pour le climat et l’économie, estiment les experts.
«L'hydrogène peut à peu près tout faire, mais cela ne veut pas dire qu'il devrait le faire», déclare Russell McKenna de l'ETH Zurich en Suisse.
Dans une étude récente, McKenna et ses collègues ont analysé le CO2 qui devrait être émis pour produire et transporter de l'hydrogène à faible teneur en carbone dans le cadre de 2 000 projets prévus dans le monde, en le comparant aux émissions de CO2 que cet hydrogène pourrait remplacer. Ils ont découvert que l’hydrogène pourrait avoir le plus grand impact positif sur le climat dans les secteurs de l’acier, des biocarburants et de l’ammoniac.
En revanche, l’utilisation de l’hydrogène pour le transport routier, la production d’électricité et le chauffage domestique ne réduirait pas autant les émissions.
Acier
Dans un haut fourneau, le coke fabriqué à partir de charbon fournit non seulement de la chaleur pour faire fondre le minerai d'oxyde de fer, mais également du carbone pour une réaction qui élimine l'oxygène de ce minerai. Il ne suffit donc pas de chauffer le métal avec de l’électricité renouvelable. Vous avez besoin de quelque chose pour remplacer le carbone dans la réaction, ce que l'hydrogène peut faire, en émettant de l'eau plutôt que du CO2.
« La technologie dont nous disposons aujourd'hui permettra de fabriquer du fer à grande échelle industrielle à partir de minerai de fer sans produire de CO2, cette technologie est l'hydrogène », explique David Dye de l'Imperial College de Londres. « Tout le reste nécessite d'inventer de nombreuses technologies futures. »
Stegra, une start-up d'acier vert, construit une usine dans le nord de la Suède qui prévoit de produire de l'acier avec un four à arc électrique et de l'hydrogène vert produit à partir de l'eau de rivière sur place d'ici fin 2026, devenant ainsi la première aciérie sans carbone. Des projets sont également en cours ailleurs en Europe, en Asie et en Amérique du Nord.
Mais il faut qu’une électricité renouvelable et bon marché soit disponible pour produire de l’hydrogène vert et alimenter les fours à arc. ArcelorMittal, une multinationale sidérurgique, a refusé cette année 1,3 milliard d'euros de subventions pour convertir deux aciéries en Allemagne à l'hydrogène, estimant que les prix de l'électricité étaient trop élevés.
Ammoniac
Pour croître, les plantes ont besoin d’azote sous forme de nitrates, mais le sol en contient une quantité limitée. Cependant, au début du XXe siècle, les chimistes Fritz Haber et Carl Bosch ont mis au point un procédé permettant de faire réagir l'azote abondant dans l'air avec l'hydrogène pour produire de l'ammoniac, qui peut être converti en une variété d'engrais.
Cela a permis une révolution dans l’agriculture et un boom de la population mondiale, et l’hydrogène est aujourd’hui largement consommé pour la production d’ammoniac, ainsi que pour le raffinage du pétrole. Environ 70 pour cent de tout l’ammoniac est utilisé comme engrais, tandis que le reste sert à fabriquer des plastiques, des explosifs et d’autres produits chimiques.
« Nous ne pouvons pas électrifier cela… parce que c'est une réaction chimique qui nécessite cet apport », explique McKenna. « Nous avons donc besoin d’hydrogène, mais il doit s’agir d’hydrogène décarboné. »
Des pays comme l’Arabie saoudite ont commencé à construire des usines pour produire des centaines de milliers de tonnes d’ammoniac vert grâce à l’énergie solaire et éolienne, principalement pour l’exportation. Parallèlement, des start-ups développent de petites usines modulaires qui produisent de l'hydrogène vert et de l'ammoniac sur place dans des fermes aux États-Unis. Mais pour l’instant, toutes ces approches s’appuient sur des investissements gouvernementaux ou des crédits d’impôt.
Carburants alternatifs
L'ammoniac peut également être brûlé dans un moteur. Alors que les voitures et de nombreux camions peuvent fonctionner efficacement à l’électricité, les transports longue distance comme les poids lourds, les navires et les avions peuvent avoir du mal à transporter et à recharger les batteries. L’hydrogène sera probablement crucial pour la fabrication de carburants à faible émission de carbone pour ce secteur.
L'étude de McKenna et de son équipe a révélé que la production d'huile végétale hydrotraitée était l'une des utilisations les plus efficaces de l'hydrogène. Cela implique de traiter l’huile de cuisson usagée avec de l’hydrogène pour décomposer les graisses en hydrocarbures pouvant être brûlés.
L'ammoniac et l'huile végétale hydrotraitée sont envisagés pour remplacer le fioul lourd dans le transport maritime, qui représente 3 % des émissions mondiales. L’aviation, avec son empreinte carbone similaire, pourrait également passer à l’ammoniac.
Mais l’hydrogène pourrait également être utilisé pour fabriquer du carburant d’aviation synthétique, qui pourrait aujourd’hui équiper n’importe quel avion, car il est presque identique au kérosène, produit uniquement sans pétrole.
À plus long terme, des chercheurs d’institutions comme l’Université de Cranfield au Royaume-Uni conçoivent des avions dotés de réservoirs ultra-résistants pour contenir de l’hydrogène comprimé. Alors que l’hydrogène ou l’ammoniac produisent une pollution par les oxydes d’azote lorsqu’ils sont brûlés, ils peuvent se combiner avec l’oxygène dans une pile à combustible pour produire de l’électricité et de l’eau. Les avions à pile à combustible sont l'objectif ultime, déclare Phil Longhurst de l'Université de Cranfield.
« L'hydrogène est le carburant le plus propre et le plus zéro carbone que nous puissions obtenir », dit-il, « c'est donc en quelque sorte le Saint Graal. »
