Ce que vous devez savoir sur l'hydrogène vert

L'utilisation de l'hydrogène comme alternative pour décarboner la matrice énergétique est de plus en plus discutée et son utilisation fait déjà partie de la planification stratégique de nombreux pays.

Mais que savez-vous de cet élément ? Qu'est-ce que l'hydrogène vert ?

Ces questions et d'autres questions récurrentes sur le sujet ont fait l'objet de l'émission Expandir de Mitsidi, disponible sur YouTube, et dont les réponses sont résumées ci-dessous.

Quelles sont les caractéristiques de l'hydrogène ?

L'hydrogène, auquel on pense tant lorsqu'on aborde le sujet de la transition énergétique, est une molécule formée de deux atomes d'hydrogène. L'atome d'hydrogène est le plus petit atome existant, généralement formé d'un seul proton et d'un seul électron (bien qu'il existe des variantes radioactives contenant des neutrons dans le noyau). La molécule d'hydrogène est également extrêmement petite, étant formée de deux de ces atomes d'hydrogène liés par covalence.

Sous sa forme moléculaire, l'hydrogène est gazeux, peu dense, inodore, insipide, incolore et non irritant. Cependant, c'est un gaz inflammable et son point d'ébullition est inférieur à -200°C, comme on peut le voir sur le site Web PubChem.

L'atome d'hydrogène est l'élément le plus abondant dans l'univers, comme on peut le voir dans l'article de Walter J. Maciel. Sur notre planète, il est le troisième élément le plus abondant, comme l'indique le site Web H2Brasil, mais il ne représente que 0,00005 % de l'atmosphère selon l'article, ce qui conduit à la conclusion que cet élément est, pour la plupart, associé à d'autres atomes, dans la composition des molécules. La production d'hydrogène moléculaire consiste en ces interactions et en la création de conditions pour que la liaison entre les atomes d'hydrogène se produise principalement. Dans cette palette de noyaux utilisée pour classer l'hydrogène, il existe également d'autres noyaux qui varient en fonction du processus de production. Par exemple, l'hydrogène gris est produit à partir de gaz naturel sans captage du carbone (CCUS – Carbon Capture Utilization and Storage) et l'hydrogène bleu, qui est produit à partir du reformage du gaz naturel, mais avec captage du carbone (CCUS). Ainsi, l'hydrogène vert est considéré comme moins polluant que l'hydrogène gris, par exemple.

Quels sont les avantages et les inconvénients de l'hydrogène par rapport aux autres carburants (gaz naturel, essence, diesel, etc.) ?

L'hydrogène est un élément très intéressant d'un point de vue énergétique car il présente une densité énergétique massique élevée, 2,8 à 3 fois supérieure à celle de l'essence. Cependant, l'une des principales caractéristiques est la faible densité énergétique par volume, environ 4 fois inférieure à celle de l'essence, ce qui rend difficile le stockage et le transport du gaz.

Quelle est la clarté des piles à combustible à hydrogène ?

Les piles à combustible transforment l'énergie chimique d'un carburant, en l'occurrence l'hydrogène, en énergie électrique et en chaleur, à la manière des batteries, et peuvent avoir plusieurs applications pour le stockage de l'énergie, l'utilisation dans les véhicules électriques et dans les systèmes isolés. Il s'agit d'un processus inverse de l'électrolyse, dans lequel l'oxygène et l'oxygène réagissent et libèrent de l'énergie et de l'eau. Le secteur des transports étant l'un des plus gros émetteurs de CO2, l'utilisation de véhicules alimentés par des piles à combustible à hydrogène a le potentiel de contribuer à la décarbonisation de la matrice énergétique des pays.

Il convient toutefois de noter que le Brésil présente un avantage majeur par rapport aux autres pays européens car il utilise également de l'éthanol, produit à partir de la canne à sucre (une source propre et renouvelable), comme carburant dans le secteur des transports. Malgré cela, il reste avantageux d'utiliser un véhicule alimenté par une pile à combustible à H2 plutôt qu'à l'éthanol, car ses performances sont supérieures et son efficacité supérieure à celle d'un moteur à combustion. Chacun présente des avantages et des inconvénients, et permet d'obtenir l'une des « couleurs » de l'hydrogène.

Les procédés de reformage, les plus utilisés aujourd'hui, reposent sur des réactions entre le méthane, le monoxyde de carbone et l'eau, produisant de l'hydrogène et du dioxyde de carbone. Ce procédé peut comporter une étape supplémentaire de capture du dioxyde de carbone, réduisant ainsi son impact sur le climat. Il s'agit d'un procédé à faible consommation énergétique, mais dont l'impact est généralement élevé, en raison de sa consommation d'énergie, de ses rejets de dioxyde de carbone et de sa consommation intensive d'eau.

Les procédés d'électrolyse sont les plus médiatisés et représentent le pari le plus important du marché actuellement. Ils consistent à utiliser l'énergie électrique pour créer une différence de potentiel électrique entre un pôle positif et un pôle négatif, à l'intérieur d'un appareil appelé « cellule électrolytique », provoquant la décomposition des molécules d'eau et la formation de molécules d'hydrogène et d'oxygène. Si l'énergie électrique utilisée provient de sources telles que l'énergie éolienne ou solaire, l'hydrogène produit sera considéré comme de l'hydrogène vert. Ce procédé peut être pratiquement sans émissions, mais il nécessite de grandes quantités d'énergie et d'eau.

La pyrolyse est un procédé qui consiste à exposer une matière organique à des températures élevées en l'absence d'oxygène, ce qui l'empêche de brûler. Lorsque la température augmente, les liaisons chimiques des molécules de cette matière se rompent. Si un hydrocarbure simple est utilisé comme matière organique (le méthane, par exemple), les produits de ce processus seront uniquement de l'hydrogène et du carbone. Si la molécule d'hydrocarbure contient d'autres atomes (le soufre ou l'azote, par exemple), des réactions plus complexes et d'autres molécules peuvent être libérées, mais des optimisations de paramètres peuvent permettre de générer un maximum d'hydrogène et un minimum de contaminants. Il s'agit de l'un des procédés purement physico-chimiques nécessitant le moins d'énergie et ne nécessitant ni eau ni dégagement de dioxyde de carbone. Cependant, un niveau élevé d'optimisation est requis pour garantir l'absence de substances nocives à la fin du processus.

Dans la figure ci-dessous, tirée d'un article de Forbes, nous voyons la comparaison de l'utilisation typique des ressources de ces trois voies de production pour la production d'une tonne d'hydrogène.

Les bioprocédés de production d'hydrogène sont subdivisés en types d'actions biologiques, comme le montre l'image ci-dessous tirée du site web de ScienceDirect. Cependant, il s'agit généralement de procédés utilisant un élément biologique (champignon, algue ou bactérie) comme principal élément de production. Ces procédés consomment généralement moins d'énergie, mais ont généralement une production plus faible. L'optimisation des paramètres, visant à maximiser la production d'hydrogène par les organismes, peut s'avérer très complexe.

Source : Sciencedirect

Quel est le potentiel de production et d’utilisation de l’hydrogène vert sur le marché actuel, tant au niveau national qu’international ?

Tout d’abord, il est important de comprendre le fonctionnement de la chaîne de l’hydrogène afin d’en saisir toutes les possibilités. La figure ci-dessous représente cette chaîne, de la production à l’utilisation finale :

Source : IRENA

Compte tenu de cette chaîne, au Brésil, la production d'hydrogène vert à partir de sources d'énergie renouvelables, telles que l'éolien et le solaire, par le biais du processus d'électrolyse, a un potentiel élevé en raison de la participation croissante de ces sources électriques (84,8 %) et énergétiques (48,3 %) dans le pays (Données 2020, EPE). Français Par rapport au scénario mondial, les matrices électrique et énergétique représentent respectivement 27 % et 14 %, selon les données de l'AIE de 2019. Il convient de noter qu'il existe encore un potentiel inexploité pour la production d'énergie éolienne offshore, qui pourrait également être une source d'énergie pour la production d'H2 vert.

Compte tenu de l'utilisation de biocarburants (éthanol/biodiesel, biogaz et biodéchets (agroforesterie et agro-industriels) qui, par des processus de reformage, de pyrolyse ou de gazéification, peuvent produire de l'H2 vert, il convient de souligner le grand potentiel lié à l'utilisation de l'éthanol pour produire de l'H2 vert en raison de l'industrie déjà consolidée dans le pays.

Les régions les plus prometteuses pour la production d'H2 vert, liées à chaque source en raison de la répartition de la production existante (SIGA, ANEEL), sont les suivantes :

• Éolien → Électrolyse → Région Nord-Est avec un accent sur Rio Grande do Norte, Bahia et Piauí.
• Solaire → Électrolyse → Régions du Nord et du Nord-Est, en particulier du Pará, du Ceará, du Paraíba, de l'Alagoas, du Piauí et de l'extrême nord de Bahia.
• Éthanol → Réforme → Régions du Centre-Ouest, du Sud-Est et du Nord-Est
• Biogaz → Pyrolyse ou gazéification → Régions du Sud, du Sud-Est et du Centre-Ouest
• Biodiesel → Réforme → Régions du Sud, du Sud-Est et du Centre-Ouest
• Biodéchets → Gazéification → Toutes les régions en raison des différentes cultures agricoles.

Source : ABH2

De plus, des études indiquent que le Brésil dispose de réserves d’hydrogène sous sa forme naturelle (Source : Engie Research en collaboration avec Geo4u) démontrant sa présence dans le sol et les puits profonds du bassin de São Francisco, dans le Minas Gerais. Outre le Minas Gerais, des zones des États de Ceará, Goiás, Tocantins, Roraima et Bahia ont été étudiées. Cependant, cette liste pourrait être encore plus longue puisque certaines régions n’ont même pas été étudiées. Au Brésil, les principaux centres de production d’hydrogène vert sont concentrés dans le port de Pecém au Ceará, le port d’Açu à Rio de Janeiro et le port de Suape au Pernambouc et sont motivés par l’exportation d’hydrogène vert à l’étranger.

À l’échelle internationale, selon les données publiées sur le site Web de la BBC, l’Australie, la Chine, l’Allemagne, les Pays-Bas, l’Arabie saoudite et le Chili sont les pays possédant les plus grands projets de production d’hydrogène vert au monde. Concernant la consommation d'hydrogène vert, le Brésil compte parmi ses acheteurs potentiels les secteurs suivants : engrais, ciment, énergie, mines, chimie, acier, transports, verre plat et agroalimentaire. Il convient de noter que les engrais ont été le produit le plus importé par le Brésil en 2021, principalement en provenance de Russie et de Chine. Cette dépendance à la consommation peut être minimisée par la production nationale de ce produit, utilisant de l'hydrogène vert en remplacement du gaz naturel pour la production d'engrais azotés tels que l'ammoniac. De plus, grâce à la construction de pôles hydrogène à proximité des principaux ports du pays, le pays a déclaré son intention d'exporter cet intrant, principalement vers l'Europe.