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L’hydrogène, une solution pour la transition énergétique ?

par | 10 septembre 2021



Souvent présenté comme un levier de la transition écologique, l’hydrogène cristallise de nombreux espoirs pour l’alimentation en énergie des véhicules et des bâtiments. Il offre notamment la promesse d’un vecteur énergétique dépourvu d’émissions de dioxyde de carbone (CO2). Néanmoins, cette ressource est-elle véritablement sans impact carbone ? Sa viabilité écologique et économique est-elle aussi fondée que les nombreux plans d’investissement le laissent à supposer ? Des acteurs de la région engagés dans la filière apportent des pistes de réponse.


Atlantech, laboratoire d’écologie urbaine incluant l’hydrogène


La Communauté d’Agglomération de La Rochelle s’illustre comme une véritable pionnière en matière d’exploitation d’hydrogène. Ce gaz léger, transparent et non-toxique se retrouve notamment dans la composition de l’eau (H2O), dont chaque molécule comporte un atome d’oxygène et deux atomes d’hydrogène. Il est également présent dans les hydrocarbures (pétrole et gaz), en combinaison avec des atomes de carbone. Pour utiliser l’hydrogène, il faut tout d’abord l’isoler des autres atomes avec lesquels il est apparié. Plusieurs techniques existent pour cela, l’électrolyse de l’eau étant réputée pour être la moins polluante. Ce processus permet de décomposer l’H2O via un courant électrique, grâce à un électrolyseur, le tout sans produire la moindre émission de dioxyde de carbone. L’hydrogène (H2) n’est pas une énergie à proprement parler, mais un vecteur énergétique, autrement dit c’est un moyen de transmettre de l’énergie, par exemple jusqu’au moteur d’un véhicule, une pile à combustible ou une batterie. Il existe ainsi deux types d’applications possibles pour ce gaz : l’alimentation des bâtiments et la mobilité. C’est cette dernière catégorie que plébiscite Atlantech et son quartier « bas-carbone », dans la commune de Lagord au nord de La Rochelle. Le complexe centralise tout un réseau d’acteurs de l’habitat durable et de l’efficacité énergétique. « Le projet Atlantech, c’est vraiment un démonstrateur de la transition énergétique ; c’est à dire qu’on essaie d’étudier tout ce qui concerne l’usage de l’habitat et ce qui va autour », introduit Christophe Philipponneau, directeur général et également à la tête de Tipee, le centre de recherches, d’innovation et de formation du site.

Il s’agit d’un complexe aux multiples fonctions, composé d’une aire de logements de haute performance énergétique, d’une zone d’enseignement (comportant une école d’ingénieur ou encore un « bâtiment-exemple ») et, enfin, d’une zone de développement économique. « En mobilisant ces trois profils-là, on a voulu travailler sur la construction, l’utilisation d’énergie, le déplacement, la gestion de l’alimentation et des déchets », synthétise le directeur d’Atlantech. Pour atteindre cet objectif global, un modèle a primé : celui de la boucle énergétique. Celle-ci consiste à alimenter le quartier bas-carbone grâce à des centrales photovoltaïques réparties sur le complexe, puis de proposer cette énergie aux consommateurs sur le site de sorte à créer une boucle d’autoconsommation collective . « Mais pour optimiser cette boucle énergétique, il fallait trouver une solution qui nous permette de stocker l’énergie lorsqu’elle n’est pas utilisée immédiatement. » En effet, l’énergie solaire qui n’est pas consommée est aussitôt perdue. C’est donc le surplus d’électricité photovoltaïque produite pour alimenter les bâtiments qui est transformé en hydrogène à Atlantech. Pour quel usage ? Ce gaz va alimenter des véhicules, un travail de recherche mené depuis 2019. Ce projet de mobilité nommé LUZO (Logistique Urbaine Zéro Carbone) consiste en l’implantation de deux stations de recharges de véhicules à hydrogène : l’une située sur le parking du complexe, destinée à des transports légers tels que des vélos et des triporteurs ; et l’autre située dans une zone commerciale, pour des véhicules plus conséquents. Une ferme solaire de 300 kW permet d’approvisionner la totalité de ces deux stations, grâce à un même électrolyseur. « Aujourd’hui, après deux ans et demi de travail, notre électrolyseur vient d’être installé et il est opérationnel pour la production d’hydrogène, on espère pouvoir commencer à alimenter des véhicules à partir de septembre-octobre 2021. » L’objectif d’Atlantech est clair : tester la pertinence de la combinaison photovoltaïque-hydrogène par rapport à d’autres types d’énergies, et non pas d’atteindre la rentabilité commerciale.

La Rochelle, Territoire Zéro Carbone
La communauté d’agglomération de La Rochelle a été labellisée Territoire Hydrogène en 2016 au titre de son projet Atlantech. En 2019, elle a remporté l’appel à projets Territoire d’Innovations avec l’objectif de devenir le premier territoire urbain littoral français à atteindre la neutralité carbone d’ici 2040.


L’ADEME (Agence de la transition écologique) a accompagné financièrement ce projet de mobilité ainsi que d’autres acteurs régionaux de l’hydrogène. Les initiatives sont multiples en Nouvelle-Aquitaine : « Il y a le projet Krysalide autour d’Angoulême, un bâtiment démonstrateur où on produit déjà de l’hydrogène pour des usages stationnaires, notamment du chauffage, note Thomas Ferenc, référent régional hydrogène de l’ADEME. Je pense aussi à l’entreprise SEMAT à La Rochelle, au producteur d’électrolyseur NEXEYA à la Couronne, près d’Angoulême. Ce sont deux structures importantes de la filière. Il y a aussi le projet Fébus à Pau, pour lequel huit bus d’une ligne BHNS (ndlr : Bus à Haut Niveau de Service) ont été convertis à l’hydrogène. »

Christophe Philipponneau, directeur général d’Atlantech

L’hydrogène, futur du transport routier ?

Aujourd’hui à Atlantech, un des objectifs est de continuer les recherches sur l’utilisation de l’hydrogène dans le domaine du transport lourd. Une démarche qui s’inscrit dans la « stratégie de l’hydrogène pour une Europe climatiquement neutre ». Impulsé en juillet 2020, ce plan européen consiste à développer le secteur avec un objectif de 100 000 camions fonctionnant à l’hydrogène à l’horizon 2030. Le gouvernement français a pour sa part présenté, également en 2020, sa « stratégie nationale pour le développement de l’hydrogène en France » à hauteur de sept milliards d’euros d’investissement sur dix ans pour approfondir, entre autres, le secteur de la mobilité lourde.

L’hydrogène a l’avantage d’avoir une forte densité énergétique : il contient, lorsqu’il est compressé ou comprimé, beaucoup d’énergie. Cela lui permet de pouvoir être embarqué dans des véhicules, notamment pour de la mobilité lourde (bus, cars, bennes à ordures ménagères, camions, etc.) et d’avoir une autonomie journalière pour faire plusieurs centaines de kilomètres, contrairement à la simple batterie électrique qui alimente un moteur électrique. Pour la mobilité en France, les objectifs à horizon 2030, c’est 300 000 véhicules légers roulant à l’hydrogène, 5 000 véhicules lourds, 250 trains et environ 1000 bateaux.

Thomas Ferenc, responsable hydrogène à l’ADEME Nouvelle-Aquitaine.

Le but de cette conversion des véhicules à essence en véhicules à hydrogène est de réduire les émissions de CO2 émises par le secteur du transport. Sans qu’il soit pour autant possible de les rendre totalement non polluants, contrairement à ce que laissent à penser certaines marques de voiture. (voir encadré “véhicules à hydrogène, greenwashing et idées reçues”).

Des panneaux solaires situés au-dessus du parking alimentent l’une des stations hydrogène d’Atlantech

« Je pense que la voiture à hydrogène destinée au grand public n’est pas une bonne idée à cause des matériaux rares, chers et stratégiques qu’elle mobilise », estime Christophe Coutanceau, professeur des universités et chercheur à l’Institut de Chimie des Milieux et des Matériaux de Poitiers (IC2MP). Ce laboratoire est membre de la Fédération de recherche hydrogène du CNRS à Poitiers.

Le stockage, atout majeur de l’hydrogène

Christophe Coutanceau travaille notamment sur la pile à combustible pour des applications stationnaires. « Le stationnaire, c’est par exemple pour fournir de l’électricité et de l’eau chaude aux bâtiments quand ils en ont besoin, mais aussi aux endroits qui sont difficiles d’accès, où on ne peut pas tirer de câble électrique, comme les îles, typiquement. En réponse à ce problème, on va mettre en place des systèmes comme la pile à combustible, accompagnée de son électrolyseur. Cela pourrait aussi concerner les entreprises, les industries, les ports, qui pourraient être électrifiés par ce biais », indique le chercheur. Selon lui, tout l’intérêt de l’hydrogène réside dans sa capacité à stocker de l’énergie de façon à ce qu’elle soit utilisable à tout moment : « L’hydrogène est un bon moyen de stocker le surplus d’énergie électrique sous forme d’énergie chimique pour ensuite être, au sein d’une pile à combustible, retransformée en énergie électrique quand on en a besoin. » Le surplus d’électricité photovoltaïque obtenu en journée pourrait ainsi servir la nuit, de même que celui obtenu en été être utilisé l’hiver. Cet excédent pourrait également être redirigé vers d’autres bâtiments de la ville qui seraient, eux, déficitaires en énergie. « Ces systèmes de stockage pourraient exister individuellement pour chacun des bâtiments, mais il faudrait plutôt établir une interconnexion entre eux, si on veut aller vers une ville intelligente et durable. »

L’hydrogène, une énergie verte ?

Si l’hydrogène est souvent perçu comme une solution potentielle à la transition énergétique, encore faut-il s’assurer qu’il est issu d’énergies propres. « Évidemment, il y a une différence entre de l’hydrogène produit par de l’électricité renouvelable et de l’hydrogène fortement émetteur de carbone », pointe Thomas Ferenc. Une classification répertorie par couleur ses différentes méthodes d’obtention  : l’hydrogène vert est produit grâce à des énergies renouvelables ; l’hydrogène jaune a recours à de l’électricité provenant de l’énergie nucléaire ; le noir est le résultat de la gazéification du charbon, le gris est issu d’hydrocarbures chauffés à haute température ; l’hydrogène bleu est également extrait de sources fossiles et soumis au même processus de traitement que le gris, à la différence que l’on tente d’intercepter le CO2 à la sortie des cheminées d’usines. A noter que les hydrogènes bleus et jaunes sont tous deux autorisés dans le cadre du Projet important d’intérêt commun (PIIEC) impulsé par l’Europe en décembre dernier et qui permet aux états membres de subventionner des entreprises sans restrictions pour certains projets prioritaires, ici des projets ayant trait au développement et à l’exploitation de la filière hydrogène. A ce titre, le rapport publié en juillet par le Réseau européen des observatoires de multinationales (ENCO) et co-rédigé par des organisations membres de la campagne Fossil Free Politics, détaille la façon dont le lobbying influe sur les plans de relance hydrogène de pays européens tels que la France, où l’hydrogène vert apparaît minoritaire par rapport à celui issu de sources fossiles ou d’énergie nucléaire.

96% de l’hydrogène qui est produit sur la planète provient de réserves fossiles, du gaz naturel ou du pétrole ou du charbon. Or, si l’hydrogène est conçu à partir de réserves fossiles, comme c’est le cas actuellement, on déplace juste le problème de la pollution dans les villes au lieu de production des composants. Si par contre, l’hydrogène produit est décarboné ou élaboré à partir des énergies renouvelables ou de la biomasse, à ce moment-là nous pourrons parler d’hydrogène vert. Et là, évidemment, il n’y aura plus de problème de pollution et de rejets de CO2. C’est le seul moyen de faire que cet hydrogène-là ait du sens pour une utilisation à large échelle. »

Christophe Coutanceau, chercheur à l’Institut de Chimie des Milieux et des Matériaux de Poiters.

Une vision que partage l’ADEME, qui privilégie le financement de projets mobilisant de l’hydrogène vert : « Nous avons une vigilance particulière sur le fait que le sourcing électrique de l’électrolyseur soit issu de l’électricité renouvelable, générée par un parc photovoltaïque ou éolien. Cela peut aussi être de l’hydroélectricité, ou encore, dans certains cas, des unités de valorisation énergétique, où on vient retraiter des déchets pour produire de l’électricité ; on considère que 50% de cette électricité est renouvelable. On a aussi la logique de contrats d’achats auprès d’un fournisseur bénéficiant de garanties d’origine quant à la source de l’électricité renouvelable dans un rayon régional, afin que ça puisse être de la production d’énergie renouvelable locale. »
La France consomme chaque année près de 900 000 tonnes d’hydrogène, en grande partie de l’hydrogène carboné, qui engendre environ 9 millions de tonnes de CO2, selon les ministères de la Transition écologique et de l’Economie.

Un processus de fabrication onéreux

Christophe Coutanceau manipulant un électrolyseur dans son laboratoire

Pour Christophe Coutanceau, il existe donc une limite à l’hydrogène du point de vue de l’écologie. Christophe Philipponneau relève quant à lui une limite économique à sa production. En effet, les coûts de fabrication demeurent pour le moment dissuasifs. « La filière hydrogène se situe encore dans une phase pré-industrielle, il y a donc une réduction des coûts vraiment draconienne à opérer. » C’est dans cette perspective que s’inscrivent les recherches menées par Christophe Coutanceau, qui consistent à étudier les matériaux utilisés pour la fabrication des catalyseurs. Ceux-ci sont indispensables au système d’électrolyse ou de piles à combustible, mais ils sont onéreux. L’objectif est de les rendre plus respectueux de l’environnement et abordables financièrement. « Les catalyseurs actuellement utilisés sont à base de ce qu’on appelle des métaux du groupe du platine. Or, ces métaux-là sont extrêmement rares, stratégiques, et coûteux. Nous cherchons donc à en utiliser le moins possible. » La première étape de la recherche, franchie depuis longtemps, consistait à tendre vers des tailles de particules les plus petites possibles de façon à diminuer les quantités de métaux rares mobilisées. Actuellement les chercheurs travaillent sur l’utilisation d’alliages de métaux plus abondants et accessibles que ceux du groupe du platine. Une autre solution, également en voie d’exploration, consisterait à utiliser des particules creuses, dont seule la surface serait constituée de métaux rares. Enfin, une dernière possibilité engagerait le recours au biomimétisme, en s’inspirant de la composition de la molécule transportant notre sang, l’hémoglobine, pour augmenter l’efficacité du catalyseur, comme l’explique Christophe Coutanceau :
« Des voies de recherche inspirées par la composition de notre sang sont développées pour essayer de créer ces catalyseurs sans platine. On tente donc de remplacer le platine par du fer, du nickel, du titane ou des éléments de ce type, mais enrobés d’une structure leur permettant d’avoir une activité catalytique. »
Ces méthodes de synthèse visent donc à produire un hydrogène impliquant de moins en moins de métaux précieux au fil des avancées scientifiques, « mais toujours avec le souci de conserver au moins la même efficacité du système, précise-t-il. Depuis quelques années, nous travaillons également sur des façons de s’affranchir totalement des métaux du groupe platine, ce qui serait notre objectif ultime, mais ces recherches n’en sont encore qu’à leurs débuts. »
La vision de l’hydrogène en tant que moteur de la transition énergétique peut donc être modérée tant par ses coûts de production que son impact environnemental en fonction de l’origine de l’électricité utilisée. Ainsi, pour le référent régional de l’hydrogène à l’ADEME, Thomas Ferenc, «  le principe du négawatt doit primer. » La sobriété énergétique constitue le meilleur plan d’action à toutes les échelles.

⚠️Véhicules à hydrogène, greenwashing et idées reçues ⚠️
Si certains constructeurs automobiles font la promotion de leurs véhicules à hydrogène en vantant le fait que leurs pots d’échappement ne dégagent qu’un filet d’eau, aucun véhicule ne rejette que de l’eau. Quel que soit le véhicule, qu’il fonctionne ou non avec de l’hydrogène, près de 50% des particules fines émises résulte de l’abrasion des freins, des pneus et des revêtements routiers. Il est donc absolument impossible d’atteindre « zéro émission polluante. »
La question de l’efficacité fait débat. D’après le dossier de la revue We Demain consacré à ce vecteur d’énergie, « il faut un kilo d’hydrogène pour faire 100 kilomètres, soit 50 à 60 kWh d’électricité. C’est donc plus de deux fois la consommation d’électricité de la voiture électrique à batterie, toutes pertes comprises, de la production de l’électricité jusqu’au moteur de la voiture. Une différence énorme. » C’est pourquoi rouler avec un véhicule à hydrogène coûte plus cher, entre 10 et 12€ aux 100 km pour la voiture à hydrogène contre 2 à 3€ pour la voiture électrique.


Rédaction et photos : Hildegard Leloué

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