Qu’est-ce qu’une source d’énergie ? Malgré l’apparente innocence de cette question, il est en fait difficile de lui apporter une réponse succincte. Lavoisier disait, « Rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme » : c’est également le cas pour l’énergie. 

Le pétrole est considéré comme une source d’énergie primaire parce qu’on peut l’extraire de « réservoirs » dans le sol à l’aide d’un forage pétrolier. On ne « produit » pas du pétrole, on l’extrait. Le soleil et le vent sont également considérés comme des sources d’énergies primaires car ils proviennent de phénomènes naturels et ne dépendent pas d’une activité humaine. On ne produit pas de l’énergie solaire et on ne produit pas du vent. On extrait l’énergie solaire à l’aide de panneaux photovoltaïques ou thermiques et on exploite le vent à l’aide d’éoliennes. Par contre, il n’y a pas de grand réservoir d’électricité sur lequel on pourrait se brancher et extraire l’électricité. On produit de l’électricité, ou plutôt comme Lavoisier nous l’a expliqué, on transforme une énergie primaire en courant électrique, c’est une source d’énergie secondaire.

On entend beaucoup parler de l’hydrogène en tant que solution à nos problèmes énergétiques, mais il faut savoir que l’hydrogène n’est pas une source d’énergie primaire mais bien une source d’énergie secondaire, c’est-à-dire qu’il faut le produire comme l’électricité. Il y a de nombreuses manières de produire de l’hydrogène. A cause du réchauffement climatique, le Graal de la production énergétique est la production décarbonée

Mais qu’est-ce qu’une production décarbonée ?

Encore une question anodine qui ne l’est pas. La production d’énergie décarbonnée signifie littéralement que l’on n’émet pas de carbone lors de la production de ladite énergie ou plutôt que l’on n’émet pas de carbone lors de la transformation d’une énergie en une énergie secondaire

Plus précisément, cela signifie que l’on n’émet pas de dioxyde de carbone CO2 ou de méthane CH4 ou de monoxyde de carbone CO ou tout autre gaz comprenant des atomes de carbone. Mais alors, si un processus de production d’énergie n’émet que de l’hexafluorure de Soufre (SF6) comme sous-produit, sans atome de carbone, est-ce considéré comme une production décarbonée? Techniquement oui, mais comme le SF6 a un potentiel d’effet de serre 22 800 fois supérieure[1] à celui du CO2, cette solution-là ne serait pas beaucoup appréciée…

De même, il est possible de produire du méthanol de manière décarbonée, mais comme son utilisation émet du CO2, peut-on le classer comme production décarbonée ? La réalité et que la « production décarbonée d’une énergie » est un raccourci pour dire que la production et l’utilisation de l’énergie produite n’émettront pas de gaz à effet de serre dans l’atmosphère, en tous cas pas plus que si on n’avait rien fait.

Cette différence est importante pour bien comprendre certaines classifications suivantes. Par exemple, si on brûle du bois, on émet du CO2 mais ce CO2 aurait de toute façon été émis lors de la décomposition naturelle du bois. C’est donc une source d’énergie décarbonée car on n’émet pas plus de CO2 en le brûlant que « si on n’avait rien fait ».

L’hydrogène, 50 nuances de gris

Le dihydrogène étant complètement transparent, il n’a techniquement pas de couleur associée. En fait, un feu de dihydrogène pur est pratiquement invisible à l’œil nu. Cependant, comme il y a de nombreuses méthodes de production d’hydrogène, il est possible d’attacher un label, ou une couleur représentant à quel point cette méthode est émettrice de carbone ou non.

C’est pour cela que l’on parle d’hydrogène vert ou bleu. Les différentes couleurs (ou labels) considérées sont les suivantes : marron, gris, bleue, turquoise, rose, jaune et vert. Excusez du peu.

L’hydrogène marron, gris et bleu et les énergies fossiles

Actuellement 96% de la production totale de dihydrogène est réalisée à partir d’énergies fossiles grâce au vaporéformage qui consiste à prendre une molécule de méthane et de l’eau et à les transformer en utilisant de l’énergie en hydrogène et monoxyde de carbone[2]. Ce dernier étant un gaz à effet de serre, le vaporéformage est donc une production d’hydrogène marron si l’énergie fournie est produite à partir de charbon  [3] et grise si elle est produite à partir de gaz naturel directement [4]. Le rendement (PCI) de ce type de production se situe entre 72 et 85% selon les sources[4], [5].

Dans ces deux cas de figure, si l’émission de CO2 associée est captée par une technologie de séquestration[6] alors l’hydrogène ainsi produit aura un label bleu pour signifier que l’émission de gaz à effet de serre est mitigée grâce à la séquestration du CO2. Le stockage pourrait à titre d’exemple être réalisé dans un substrat géologique rocheux similaire aux puits d’hydrocarbures actuels. L’injection de CO2 dans des puits d’hydrocarbures est en pratique déjà mise en place pour extraire une partie du pétrole dans des gisements difficiles. Ce CO2 est cependant issu de sources naturelles et non pas celui émis dans l’atmosphère d’origine anthropique. En pratique, les technologies de séquestration industrielle à grande échelle sont encore aux stades expérimentaux. Il est évident que les efforts de capture et séquestration à mettre en place auront un impact négatif sur le rendement de production global de l’hydrogène bleu, même s’il est difficile à déterminer.

L’hydrogène turquoise et la pyrolyse du méthane

Le problème du gaz naturel principalement composé de méthane est que sa combustion avec l’oxygène de l’air produit du dioxyde de carbone d’après la réaction :

CH4+2O22H2O+CO2+énergie

Il est possible cependant de craquer la molécule de méthane sans oxygène, c’est la pyrolyse du méthane. Réalisée à plus de 600°C, sous atmosphère inerte, la pyrolyse du méthane ne produit que de l’hydrogène et du carbone sous forme solide, donc pas de gaz à effet de serre. 

CH4+énergie→C+2H2

L’hydrogène ainsi produit est considéré comme turquoise[7].

La réaction nécessite néanmoins un apport en énergie non négligeable pour s’initier, ce qui conduit à un rendement de production d’hydrogène entre 35 et 50% [4]. Un système industriel mettant en place cette réaction pourrait s’apparenter conceptuellement à un haut fourneau où le méthane est injecté dans un four à haute température permettant de dissocier l’hydrogène et le carbone solide. Des entreprises comme monolith utilisent déjà ce procédé [8].

L’hydrogène vert, rose et jaune et l’électrolyse

L’hydrogène produit par électrolyse représente une énergie primaire deux fois transformée. Une fois pour donner de l’électricité, et une deuxième fois pour la production de l’hydrogène à partir de cette électricité et la réaction d’électrolyse de l’eau :

2H20→2H2+O2

En fonction de la transformation aboutissant à la production d’électricité utilisé pour l’électrolyse, l’hydrogène sera considéré comme « vert » si l’électricité est issue d’énergies renouvelables comme le solaire photovoltaïque ou l’éolien. Il sera « rose » si l’électricité est d’origine nucléaire et l’hydrogène pourra alors être produit par électrolyse à haute température avec un rendement (PCS) jusqu’à 92%. Finalement il sera « jaune » si l’électricité est issue d’un mix énergétique. C’est probablement le label le plus flou. Le bilan carbone de production d’hydrogène jaune ne sera pas le même s’il est réalisé en Allemagne où l’électricité est très carbonée à cause d’une production à l’aide de charbon que s’il est produit en France avec une électricité principalement d’origine nucléaire peu émettrice en CO2.[9]

Il existe d’autres méthodes de production de l’hydrogène qui ne sont pas incluses dans cette taxonomie, notamment la production d’hydrogène grâce au cycle autoentretenue iodine-sulfure [10] qui nécessite des températures très élevés mais compatibles avec les réacteurs nucléaires de IVème génération VHTR (Very High Temperature Reactor). Ce type d’hydrogène pourrait également entrer dans la catégorie hydrogène rose même s’il n’est pas produit par électrolyse. Un autre type d’hydrogène non compris dans cette taxonomie est l’hydrogène produit par des bactéries ou des algues[11], [12]. Ces méthodes, bien que prometteuses, sont encore à l’état de recherche.

L’hydrogène et la Commission Européenne

L’hydrogène est principalement pressenti pour des applications de stockage journalier ou saisonnier d’énergie électrique ainsi que des applications de mobilité comme les flottes de véhicules, en remplacement du diesel pour des trains ou à l’étude pour des applications aéronautique ou naval. Le réchauffement climatique nous force à une production décarbonée de l’hydrogène. D’après la taxonomie précédente, il faudrait donc viser de l’hydrogène turquoise, bleu, vert ou rose.

Les ressources en gaz naturel montrent que l’hydrogène turquoise possède un certain intérêt mais risque de provoquer une dépendance envers le gaz naturel fossile, voire la tentation d’utiliser le gaz directement avec les émissions de CO2 associés à ce risque. Le transport du gaz naturel cause également de nombreuses pertes qui sont autant de gaz à effet de serre émis dans l’atmosphère[13]. Le nucléaire est très peu émetteur de CO2 avec 18 gCO2eq/kWh contre 40 et 15 gCO2eq/kWh pour le solaire photovoltaïque et l’éolien [14], cet avantage fait que l’hydrogène issue du nucléaire est potentiellement encore plus intéressant que l’hydrogène vert car complètement pilotable pour une émission de CO2 similaire voir inférieure.

Actuellement, des débats concernant le classement en énergie verte pour le nucléaire et le gaz naturel[15], [16] agitent les états membres de l’union Européenne. Un premier groupe de 12 états membres mené par la France et la Finlande défend le nucléaire en tant qu’énergie verte alors qu’un second groupe de 5 états membres mené par l’Allemagne ne le souhaite pas et souhaiterait au contraire que le gaz soit qualifié d’énergie verte ! La combustion du gaz naturel émet environ 490 gCO2eq/kWh, ce qui n’est pas vraiment vert. L’argument allemand consiste à dire qu’il lui est nécessaire d’adjoindre à ses énergies renouvelables, intermittentes par nature, une source pilotable pour gérer les demandes : des centrales à gaz (ou à charbon). Le gaz servirait donc à promouvoir les énergies vertes et devrait recevoir le label vert par « associativité » …

Derrière ces débats flous se dessinent surtout la façon dont la production énergétique européenne sera financée et donc indirectement sur la façon dont l’hydrogène sera produit s’il est produit en grande quantité. A partir de gaz naturel pour les allemands et de nucléaire pour les français ?

[1] « Gaz à effet de serre », Wikipédia. nov. 06, 2021. Consulté le: nov. 15, 2021. [En ligne]. Disponible sur: https://fr.wikipedia.org/w/index.php?title=Gaz_%C3%A0_effet_de_serre&oldid=187756653

[2] « Steam reforming », Wikipedia. mai 28, 2020. Consulté le: juin 15, 2020. [En ligne]. Disponible sur: https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Steam_reforming&oldid=959399582

[3] « 50 shades of (grey and blue and green) hydrogen », Energy Cities, nov. 13, 2020. https://energy-cities.eu/50-shades-of-grey-and-blue-and-green-hydrogen/ (consulté le nov. 12, 2021).

[4] A. I. Osman et al., « Hydrogen production, storage, utilisation and environmental impacts: a review », Environ Chem Lett, oct. 2021, doi: 10.1007/s10311-021-01322-8.

[5] « Hydrogen production », Wikipedia. déc. 03, 2020. Consulté le: déc. 04, 2020. [En ligne]. Disponible sur: https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Hydrogen_production&oldid=992060888

[6] « Séquestration du dioxyde de carbone », Wikipédia. sept. 12, 2021. Consulté le: nov. 15, 2021. [En ligne]. Disponible sur: https://fr.wikipedia.org/w/index.php?title=S%C3%A9questration_du_dioxyde_de_carbone&oldid=186270121

[7] G. Ozin, « Decarbonizing Natural Gas: Methane Fuel without Carbon Dioxide », Advanced Science News, mars 20, 2018. https://www.advancedsciencenews.com/decarbonizing-natural-gas-methane-fuel-without-carbon-dioxide/ (consulté le nov. 15, 2021).

[8] « Monolith ». https://monolith-corp.com/process-comparison (consulté le nov. 15, 2021).

[9] « Émissions CO₂ de la consommation électrique en temps réel ». http://electricitymap.tmrow.co (consulté le juin 25, 2021).

[10] « Cycle soufre-iode », Wikipédia. août 14, 2021. Consulté le: nov. 19, 2021. [En ligne]. Disponible sur: https://fr.wikipedia.org/w/index.php?title=Cycle_soufre-iode&oldid=185489801

[11] « Les bactéries productrices d’hydrogène : de nouveaux débouchés pour les énergies propres ? », Techniques de l’Ingénieur. https://www.techniques-ingenieur.fr/actualite/articles/les-bacteries-productrices-dhydrogene-de-nouveaux-debouches-pour-les-energies-propres-6178/ (consulté le nov. 19, 2021).

[12] « Production biologique d’hydrogène par des algues », Wikipédia. juin 06, 2021. Consulté le: nov. 19, 2021. [En ligne]. Disponible sur: https://fr.wikipedia.org/w/index.php?title=Production_biologique_d%27hydrog%C3%A8ne_par_des_algues&oldid=183597760

[13] R. W. Howarth, R. Santoro, et A. Ingraffea, « Methane and the greenhouse-gas footprint of natural gas from shale formations: A letter », Climatic Change, vol. 106, no 4, p. 679‑690, juin 2011, doi: 10.1007/s10584-011-0061-5.

[14] Intergovernmental Panel on Climate Change, Climate Change 2014 Mitigation of Climate Change: Working Group III Contribution to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Cambridge: Cambridge University Press, 2014. doi: 10.1017/CBO9781107415416.

[15] N. J. Kurmayer, « Austria ready to sue EU over nuclear’s inclusion in green finance taxonomy », www.euractiv.com, nov. 18, 2021. https://www.euractiv.com/section/energy-environment/news/austria-ready-to-sue-eu-over-nuclears-inclusion-in-green-finance-taxonomy/ (consulté le nov. 19, 2021).

[16] N. J. Kurmayer, « German coalition talks stumble over role of gas in EU taxonomy », www.euractiv.com, nov. 19, 2021. https://www.euractiv.com/section/energy/news/german-coalition-talks-stumble-over-role-of-gas-in-eu-taxonomy/ (consulté le nov. 19, 2021).

 

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