Samuel Furfari[1] et Henri Masson[2] passent en revue les différentes possibilités de l’hydrogène et les politiques de l’Union européenne.
L’enthousiasme de l’hydrogène
L’hydrogène semble subitement être devenu une solution exceptionnelle pour la transition énergétique, aussi appelée décarbonation de l’économie. Il ne se passe pas un jour sans qu’une industrie, une autorité ou un média n’annonce des utilisations de plus en plus extraordinaires. On nous assure que les voitures automobiles, les camions, les avions, les bateaux vont se mouvoir à l’hydrogène. On va même chauffer nos maisons avec cette molécule et on dit que la sidérurgie va fonctionner avec de l’hydrogène, lui-même produit par de l’électricité générée par des éoliennes. Puisque l’hydrogène brûle, on peut comprendre que certains y pensent, d’autant plus que l’UE a annoncé que la stratégie hydrogène devient un point central de sa politique de décarbonation. Elle va d’ailleurs consacrer à la lutte contre le changement climatique 30 % du prêt que la Commission européenne contracte pour aider à la relance d’après-crise liée à la pandémie. De ces 225 milliards d’euros, une partie, laissée au choix des États membres, servira à tenter de favoriser l’émergence de l’hydrogène en tant que vecteur énergétique.
Bien entendu, dans le cadre de la transition énergétique, la production de l’hydrogène énergie doit se faire à partir d’énergies renouvelables. Or puisque la biomasse et l’hydroélectricité font l’objet d’attaques de plus en plus agressives par les mouvements écologistes, force est de constater que l’objectif de presque 100 % d’énergie décarbonée que s’est fixé l’UE pour 2050 va reposer sur l’énergie éolienne et solaire, malgré leur caractère variable, imprédictible, et intermittent rédhibitoire.
Cela rend aujourd’hui, mais aussi demain la solution hydrogène vert impossible dans un monde ouvert et concurrentiel. C’est une évidence aussi pour l’Allemagne. Récemment dans un article intitulé « Le CO2 doit devenir plus cher » la Frankfurthe Allegemeine Zeitung a rapporté que la ministre allemande de la Recherche, Anja Karliczek, et le PDG de Siemens Energy, Christian Bruch, reconnaissent que le déploiement de la technologie de l’hydrogène vert dépendra de la réglementation et de la législation, « pas tant des scientifiques ».
Cela signifie qu’il faut admettre que, d’un point de vue scientifique et technologique, la stratégie de l’hydrogène n’a aucun sens. L’hydrogène vert ne deviendra un carburant que si la législation l’y oblige. Bien sûr, c’est possible, mais alors vous pouvez être sûr que nous serons dans une UE forteresse, coupée du reste du monde. Dans un monde libre, ouvert et concurrentiel, imposer l’hydrogène comme carburant est tout simplement stupide. Nous allons montrer dans cet article pourquoi ces deux personnalités allemandes, et nous aussi, croyons que seule la contrainte législative peut imposer l’utilisation de l’hydrogène en tant que vecteur énergétique.
L’inéluctable intermittence
Leur facteur de charge moyen pour l’UE n’est que de l’ordre de 2 000 heures par an pour l’énergie éolienne et 1 200 pour le photovoltaïque, c’est-à-dire que 80 % du temps elles ne produisent pas la puissance pour laquelle elles ont été conçues. En analysant les facteurs de charges en France, Espagne et Italie, sur une année, on observe que l’intermittence est un sérieux handicap pour le développent des énergies renouvelables intermittentes dans un marché libre.
Tableau 1 — Facteur de charges de la production d’électricité en France (données RTE), en Espagne (données REE) et en Italie (données Terna) en 2019
Actuellement, cette intermittence est compensée par la mise en service de centrales au gaz, ce qui augmente considérablement l’empreinte carbone de l’ensemble. Le seul remède consiste à essayer de stocker des quantités importantes d’énergies intermittentes lorsqu’elle est surabondante, et de la libérer selon les besoins.
Plusieurs pistes sont possibles : repompage vers des barrages, air comprimé, batteries et production d’hydrogène (par électrolyse) sont les plus souvent cités. Les trois premières options ayant montré leurs limites de capacité, de faisabilité technique et économique et d’acceptabilité, subsiste la filière hydrogène… à moins de continuer à utiliser du gaz naturel en centrales d’appoint, comme l’on fait actuellement.
La chimie enseigne pourquoi l’hydrogène commercial n’est pas produit par électrolyse de l’eau
On observera que l’idée de produire de l’hydrogène à partir d’éoliennes n’est pas neuve, puisque le savant Britannique John Haldane, qui craignait la fin du charbon dans son pays, l’avait déjà proposée en 1923. Si cela ne s’est pas fait, c’est qu’il y avait de bonnes raisons.
La molécule d’hydrogène n’est pas utilisée en tant que vecteur énergétique, parce qu’elle est valorisée plus utilement comme molécule de base de la chimie depuis plus d’un siècle. La production annuelle d’hydrogène est de 115 millions de tonnes, dont la toute grande partie sert à l’industrie chimique, d’une part pour produire de l’ammoniac, qui, à son tour, va servi à fabriquer les engrais destinés à l’agriculture, alimentant la population mondiale. Elle sert d’autre part dans la pétrochimie pour transformer des hydrocarbures peu hydrogénés en produits pétroliers plus légers pour les multiples usages de la pétrochimie. Une partie importante est également utilisée pour éliminer le soufre dans les produits pétroliers afin d’éviter la pollution atmosphérique.
Étant donné que c’est en 1766 que le chimiste Henry Cavendish a découvert l’hydrogène, et son importance pour la chimie, on ne sera pas surpris d’apprendre que les moyens de produire cette molécule ont fait l’objet de nombreuses études et comparaisons. Depuis, le savoir-faire n’a cessé de s’améliorer et pendant des décennies la production mondiale d’hydrogène a reposé, et repose encore, sur la transformation d’hydrocarbures par réaction avec de la vapeur d’eau, le processus étant appelé reformage. Comme c’est le gaz naturel qui est le plus utilisé, le terme technique communément utilisé est le « Steam Methane Reforming » (SMR).
Mais pourquoi cette réaction s’est-elle imposée et non pas celle de l’électrolyse de l’eau ? Même dans les années 1970-1980, lors de l’enthousiasme suscité par l’énergie électrique bon marché, produite par les centrales nucléaires, on ne l’a pas envisagée. Nous avons pourtant tous vu notre professeur de chimie réaliser une électrolyse sur sa paillasse ; c’est donc apparemment quelque chose de simple puisqu’on peut la faire en classe ! Cela ne s’est pas fait — et ne se fera pas — parce que l’électrolyse est trop énergivore.
Les énergies de formation
Voyons quelques calculs enthalpiques relatifs à la fabrication d’hydrogène
Réaction 1 (électrolyse) :
H20 (l) → H2 + ½ O2 + DHR1 ΔR1 = 285,8 kJ [1]
pour produire une mole d’hydrogène, soit (285,8 x 1000) / (2 x 3600) = 39,7 kWh/kg d’hydrogène)
Réaction 2 : (en supposant que la vapeur d’eau est une vapeur autrement perdue du complexe pétrochimique)
CH4 + 2 H20 (v) → CO2 + 4H2 ΔR2 = 164,7 kJ [2]
pour produire quatre moles d’hydrogène, soit 41,2 kJ par mole
Réaction 2bis : (la même que 2, mais en partant d’eau liquide)
CH4 + 2 H20 (l) → CO2 + 4H2 ΔR2bis = 252,7 kJ [2bis]
pour produire quatre moles d’hydrogène, soit 63,2 kJ par mole.
En conséquence par mole d’hydrogène nous obtenons les rapports suivants :
Rapport (réaction 1)/(réaction 2) : 285,8/41,2 = 6,94 = ~ 7
Rapport (réaction 1)/(réaction 2bis) : 285,8/63,2 = 4,52 = ~ 4,5
Nous observons que produire de l’hydrogène à partir d’eau liquide requiert 4,5 fois plus d’énergie par électrolyse que par SMR. Si, comme c’est souvent le cas, dans les usines pétrochimiques il y a de la vapeur générée par d’autres productions chimiques, l’usage de cette chaleur fatale fera que l’électrolyse sera 7 fois plus énergivore que le SMR. Il ne s’agit pas de petites marges, mais d’un fossé infranchissable. L’hydrogène produit par électrolyse de l’eau n’a donc aucun sens thermodynamique, que l’électricité soit d’origine renouvelable (pour produire de l’hydrogène qualifié de vert) ou pas.
Utiliser la réaction SMR à des fins énergétiques ?
Mais alors, si on veut une société hydrogène pourquoi ne pas le produire à partir de méthane ? Il est appelé « bleu » dans le jargon des « hydrogénistes ». Y-a-t-Il un avantage à transformer le méthane en hydrogène pour ensuite le brûler ?
Ici encore, un calcul enthalpique de chaleur de réaction va nous éclairer.
Réaction 4 : (combustion directe du méthane)
CH4 + 2O2 → CO2 + 2H20 (v) ΔHR4= – 802,5 kJ [4]
Réaction 5 : (vaporeformage du méthane suivi de combustion de l’hydrogène)
CH4 + 2 H20 (v) → CO2 + 4H2 ΔR2 = 164,7 kJ
Suivie de la combustion de l’hydrogène
4H2 +2O2 → 4H20 (v) ΔR1 = – 967,2 kJ
Soit au total
CH4 +2O2 → CO2 + 2 H20 ΔR5 = – 802,5 kJ [5]
On peut constater que [5] <> [4] <> [2] + 4*[1]
Ce calcul montre que l’énergie (théorique) dégagée par les deux filières est parfaitement identique. En fait, ce n’est rien d’autre que l’illustration du Principe de l’état initial et final, bien connu en thermodynamique. En toute logique, il n’y a donc aucun avantage énergétique à transformer du méthane en hydrogène à des fins de combustion par rapport à sa combustion directe. On en arrive à la même conclusion au niveau des quantités de CO2 libérées, les équations [4] et [5] étant parfaitement identiques. Pire, outre les investissements et frais opératoires accrus nécessaires pour la filière combustion d’hydrogène produit à partir de méthane par rapport à la combustion directe du méthane, le rendement de la réaction de vaporeformage est inférieur à 100 %, ce qui rend encore moins attrayant l’idée de la filière « hydrogène bleu » à partir de méthane.
Filière hydrogène « vert » fabriqué par électrolyse
En principe, l’opération est blanche, puisqu’il s’agit de la même réaction réalisée en sens inverse (décomposition puis synthèse de l’eau). Mais l’électrolyse se fait à partir d’eau liquide et la combustion génère de la vapeur d’eau, ce qui fait que le rendement théorique maximum de la filière est de PCI/PCS (241,8/285,8 kJ) soit ~ 84 %. Actuellement, les rendements industriels sont de l’ordre de 50 à 70 %[1]. La filière complète électrolyse suivie de combustion est donc en fait déficitaire énergétiquement, même si théoriquement elle ne devrait pas consommer d’énergie. En d’autres termes, il s’agit de pure gabegie.
A quel coût ?
Une grande incertitude règne quant aux coûts des différentes filières. Ce qui démontre que les différentes solutions proposées sont encore pour certaines au stade du développement. Le tableau suivant, préparé à partir d’une étude détaillée de la World Nuclear Association[2] (février 2021), indique des estimations de prix à l’horizon 2030 ou 2050 très variables, allant de 0,7 à 1,6 €/kg H2 pour la production par SMR, et en cas de capture et de stockage du CO2 libéré par la réaction SMR de 1,3 à 2,5 €/kg. Pour l’électrolyse à partir d’électricité renouvelable (hydrogène vert), les estimations varient du simple au double (2,5 à 6,8 $/kg H2) avec une perspective de réduction jusqu’à 1,4 $/kg en 2030, selon le coût de l’électricité et les catalyseurs employés. Il est intéressant de se souvenir ici que le prix de l’électricité varie énormément d’un pays à l’autre, et est fortement corrélé au pourcentage d’énergies intermittentes dans le mix énergétique, comme indiqué dans la Figure 1 ci-dessous. En d’autres mots, on essaye de promouvoir la filière des énergies intermittentes, et limiter l’effet de ses intermittences (risquant de provoquer des blackouts économiquement et socialement dévastateurs), en utilisant une filière beaucoup trop chère actuellement, car énergivore, et dont le coût augmentera immanquablement avec une plus grande pénétration du marché par lesdites énergies intermittentes.
Tableau 2 — Estimation des coûts de la production d’hydrogène par World Nuclear Association2
(*) HTSE = High Temperature Steam Electrolysis (électrolyse en phase vapeur à haute température) [associée à une centrale nucléaire]
Pour la suite de la démonstration, prenons les valeurs estimées suivantes : 1 €/kg pour le SMR et pour l’électrolyse entre 2,4 et 7,5 €/kg.
Mais si on pénalisait le carbone ?
L’article cité en référence au début de ce texte est intitulé « Le CO2 doit devenir plus cher ». Voyons avec quelques calculs élémentaires quel devrait être son coût, en pénalisant l’émission de CO2 produite par la réaction SMR.
Remarquons au préalable qu’il est toujours possible de capturer et de stocker le CO2 produit par la réaction SMR (filière hydrogène « bleu »), ce qui, d’après le tableau précédent, engendre un surcoût de l’ordre de 1 euro/kg d’hydrogène produit.
Du point de vue de la décarbonisation, il est pertinent d’inclure le coût de ce C02 co-produit dans la comparaison des filières SMR et électrolyse (cf. tableau3).
Sur base de la stœchiométrie, la réaction 2 (ou 2 bis) produit pour 16 kg de méthane, 8 kg d’hydrogène, mais aussi 44 kg de CO2, soit 5,5 kg de CO2/kg d’hydrogène.
Tableau 3 — Coût du carbone permettant l’équilibre des coûts entre l’électrolyse et la filière SMR
Le prix du CO2 compensant la différence de prix entre les deux procédés devrait donc tomber, dans un futur proche, dans une fourchette allant de 250 €/t à 1 200 €/t, ce qui exclut de facto l’option électrolyse. A l’horizon 2050, le coût de la filière électrolyse pourrait être réduit à 1 200 €/t, ce qui ramènerait le « prix d’équilibre » du carbone à 32 €/t. Mais il faudrait pour cela que le facteur de charge soit de l’ordre de 4 200 heures par an[3], une performance qu’il n’est possible d’obtenir qu’avec une éolienne « offshore » localisée dans les zones les mieux ventées, et encore, en gardant le prix actuel de l’électricité.
La figure 2 montre la très grande volatilité du marché du carbone en Europe[4]. Le coût historique moyen du CO2 sur le marché carbone a oscillé entre 5 et 40 €/t, avec une hausse sensible à la fin de l’année 2020 ; le coût projeté aux États-Unis sous l’Administration Biden est prévu à 47-50 $/t (€40-42).
En guise de tactique défensive, il est fort à parier que les producteurs d’hydrogène par procédé SMR opteront pour la capture et la séquestration du CO2, pendant les deux prochaines décennies, pour des raisons purement économiques (leur coût se situant alors ente 1 500 et 2 000 €/t) ; ce qui leur permettra malgré tout de garder un avantage compétitif sur les prix par rapport aux producteurs par électrolyse. Promouvoir l’hydrogène comme vecteur énergétique résultera donc, non pas à utiliser l’hydrogène « vert », mais l’hydrogène « bleu » : Ironiquement, pour décarboner l’économie européenne, l’hydrogène sera produit à partir de gaz naturel (méthane), plutôt que par électrolyse. Et cela, alors qu’il serait plus rationnel de brûler le méthane directement : une opération plus économique, qui a un meilleur rendement énergétique et émet la même quantité de CO2 que la filière SMR. C’est le résultat obtenu lorsque l’idéologie supplante la logique (ou la connaissance ?); car, en effet, alors que l’UE ne cesse de proclamer qu’il faut imposer l’efficacité énergétique, l’effet exactement contraire se produira.
Ces quelques notions élémentaires de chimie et de physique nous enseignent que l’électrolyse de l’eau n’a aucune chance de supplanter la production d’hydrogène à partir du méthane, d’autant plus que le prix du gaz naturel va baisser dans les années à venir, comme c’est déjà le cas aux États-Unis, vu son abondance et la dynamique de la géopolitique de l’énergie. Précisément, pour cette raison, imposer dans l’UE des prix du carbone aussi élevés permettant à la filière électrolyse de concurrencer économiquement la filière SMR, alors que cela ne sera pas appliqué ailleurs, est suicidaire, et ne peut s’envisager que dans une Europe forteresse coupée de l’évolution de la chimie industrielle dans le reste du monde ; car l’hydrogène produit à des fins chimiques continuera à se développer, et dans un marché mondial libre et ouvert, il ne peut y avoir qu’un prix pour un produit. L’hydrogène fabriqué à des fins d’énergie n’est donc qu’une illusion[5], n’a aucun avenir et restera une énergie de l’avenir pendant l’avenir prévisible. Brûler de l’hydrogène est aussi inepte que se chauffer en brûlant des sacs à main Louis Vuitton.
La contrainte législative ?
L’hydrogène vert fascine, car il s’agit d’un gaz produit à partir de l’eau qui brûle en ne produisant que de la vapeur d’eau. Cependant, plusieurs défis technologiques, législatifs, réglementaires et économiques doivent être relevés. Par exemple, il faudra légiférer sur la nature des électrolyseurs : sont-ils des consommateurs ou des producteurs d’électricité ? Si l’on utilise des électrolyseurs pour produire de l’hydrogène qu’on injecte dans une conduite de gaz naturel, il va impacter sur le marché du gaz, qui est en cours d’élaboration dans l’UE, et cela va aussi demander des adaptations législatives. Les interviewés de la Frankfurthe Allegemeine Zeitung ont bien raison de dire que l’avenir de l’hydrogène comme énergie ne dépendra pas de la science : celle-ci a déjà démontré que cela n’a aucun sens du point de vue de la macro-énergétique c’est-à-dire du point de vue du bilan énergie global. Seule la contrainte législative, accompagnée des généreux subsides usuels, pourra justifier cette aberration énergétique. Le monde politique devrait être plus prudent avant de tirer des plans sur la comète : promettre une solution miracle, à un coût impossible à atteindre, tout en respectant un calendrier de réalisation totalement irréaliste, incompatible avec les innombrables contraintes de tout ordre qu’il faudra vaincre ou contourner, et dont apparemment les politiciens n’ont pas mesuré l’ampleur, ou pire, dont ils semblent ignorer l’existence.
De plus, avant de justifier une telle stratégie hydrogène au prétexte que nous devons décarboner notre économie, il faudrait aussi tenir compte que l’UE en 2030 ne contribuera plus qu’à raison de 6 % aux émissions mondiales de CO2 ; même une émission européenne nulle en 2050 aura un impact marginal sur le bilan mondial. Étant donné les centaines de millions de personnes qui n’ont pas accès à l’énergie, une politique européenne autoréférencée, suggérée par les lobbyistes, qui tirent profit de cette politique uniquement basée sur des considérations idéologiques, est-elle suffisante et adéquate, ou faut-il envisager d’autres approches scientifiques innovantes plutôt que des solutions purement législatives ?
[1] Professeur de géopolitique de l’énergie à l’ULB et Président de la Société Européenne des Ingénieurs et Industriels
[2] Professeur, Ingénieur chimiste de formation (Université Libre de Bruxelles), docteur en sciences appliquées, professeur émérite à l’Université d’Anvers, expert globe-trotter (notamment pour la Banque Mondiale et l’ONU)
[1]https://www.scribd.com/document/407794017/Comparasion-of-Different-H2-Companies
[2] www.world-nuclear.org/information-library/energy-and-the-environment/hydrogen-production-and-uses.aspx
[3] IRENA (2019), Hydrogen: A renewable energy perspective, Abu Dhabi, https://www.irena.org/-/media/Files/IRENA/Agency/Publication/2019/Sep/IRENA_Hydrogen_2019.pdf
[5] Samuel Furfari, « L’utopie hydrogène », KDP, 2020, ISBN 9798676846862
Poursuivez la discussion du sujet avec le livre de Samuel Furfari, l’utopie hydrogène
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Vos réactions
Parfait!
D’autre part, qu’en serait-il pour la production d’H2 à partir d’acide sulfurique (à haute température)? En supposant disposer de réacteurs HTR à haute température.