L’hydrogène, l’énergie du futur? – 10.2020

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Énergie 28 octobre 2020

L’hydrogène, un petit atome dont le nom affole les décideurs comme les chercheurs. Avec un seuil de maturité technologique franchi et des applications industrielles en ligne de mire, l’hydrogène permettra-t-il de réaliser les promesses de la transition énergétique ? Entretien avec Daniel Hissel, chercheur spécialiste de la question.

Spécialiste de l’hydrogène depuis plus de 20 ans, le chercheur Daniel Hissel dirige une équipe de recherche au sein du laboratoire FEMTO-ST du CNRS. Aux côtés d’une centaine de chercheurs et chercheuses, il travaille sur l’intégration des objets hydrogène dans les systèmes industriels. Ses travaux lui ont valu la médaille de l’innovation 2020 du CNRS. Il est également Professeur à l’Université de Franche-Comté.

L’hydrogène suscite autant d’intérêt que d’espoir de la part de chercheurs, d’acteurs industriels, économiques ou politiques. Mais de quoi parle-t-on au juste ?

DANIEL HISSEL : L’hydrogène est un élément extrêmement courant : 90% de l’univers est composé d’atomes d’hydrogène (H). Il est important de souligner que, au même titre que l’électricité, l’hydrogène est un vecteur d’énergie. C’est un élément qui sert à transporter l’énergie d’un point A à un point B. Toutefois, le dihydrogène (H2) n’existe pas à l’état naturel, hormis quelques poches identifiées en Afrique. Pour pouvoir l’utiliser, il faut donc le produire et le transporter.

Quelles propriétés font que l’hydrogène est souvent considéré comme le vecteur d’énergie du futur ?

D. H. : L’atout de l’hydrogène est sa grande densité énergétique. Un kilo d’hydrogène permet de stocker trois fois plus d’énergie qu’un kilo d’essence, et cent fois plus que les meilleures batteries électriques. Cette propriété permet d’envisager l’hydrogène comme une alternative très intéressante pour les secteurs des transports. L’hydrogène permet d’augmenter l’autonomie des véhicules, notamment ceux qui réalisent des trajets longs (automobile, train, véhicules lourds). Par ailleurs, l’hydrogène est un gaz ; faire le plein d’un véhicule à partir d’un gaz est beaucoup plus rapide. Alors qu’il faut 6 à 8 heures pour recharger la batterie électrique d’un véhicule, il ne faut que quelques minutes dans le cas d’un véhicule électrique qui fonctionne à partir d’hydrogène. L’hydrogène permet à la fois d’emporter plus d’énergie, donc d’aller plus loin et d’effectuer une recharge plus rapidement.

©BMW – Hydrogen Next

Comment produit-on de l’hydrogène aujourd’hui ?

D. H. : À l’heure actuelle, 95% de la production d’hydrogène dans le monde est réalisée à partir de ressources carbonées fossiles (pétrole, charbon, gaz naturel). C’est la raison pour laquelle on parle d’hydrogène gris. Cette production émet des gaz à effet de serre, elle n’est donc pas soutenable dans la perspective d’une massification des usages de l’hydrogène.

Il existe une autre option qui consiste à produire de l’hydrogène à partir d’une réaction très simple : l’électrolyse de l’eau. On fait passer un courant électrique dans de l’eau (H2O), ce qui permet de séparer deux molécules : d’un côté l’hydrogène (H2) et de l’autre l’oxygène (O2). Ce procédé permet de produire de l’hydrogène pur de façon propre, à condition que l’électricité servant à sa fabrication soit propre, donc d’origine renouvelable. Quiconque s’intéresse aux questions de transition énergétique et écologique a donc entendu parler d’hydrogène. Mais on ne peut parler d’hydrogène vert qu’à condition qu’il soit produit à partir d’électricité verte. C’est là que réside l’enjeu d’une mise à l’échelle industrielle.

Quels sont les freins à la massification d’une production d’hydrogène vert aujourd’hui ?

D. H. : Les freins ne sont pas technologiques, puisque les avancées à la matière ont été remarquables ces dernières années. La question est plutôt celle de la source d’énergie primaire : il faut avoir à disposition de l’électricité verte, d’origine photovoltaïque, hydraulique ou éolienne par exemple, pour produire de l’hydrogène vert. On sait qu’à l’heure actuelle la production de ce type d’énergie est limitée, c’est donc là qu’il faut concentrer les efforts.

Tout l’enjeu est de se placer dans le cadre d’une logique de substitution : substituer à nos usages massifs d’énergie fossile des usages d’énergie décarbonée. Aujourd’hui le pétrole sert massivement à faire rouler nos véhicules, mais pour que la voiture électrique à hydrogène se massifie, il faut disposer de réserves énergétiques qui viennent compenser, puis se substituer à l’or noir que l’on extrait de la croûte terrestre. C’est la raison pour laquelle il est absolument nécessaire d’augmenter la part de la production d’énergies renouvelables.

Il semblerait pourtant que l’on soit aujourd’hui dans une logique d’addition : on produit des énergies renouvelables qui ne se substituent pas au pétrole mais le complètent, augmentant ainsi la part totale de l’énergie consommée…

D. H. : Effectivement, nous sommes aujourd’hui entraînés dans un cycle d’augmentation permanente de la consommation énergétique mondiale. Les énergies renouvelables viennent compenser l’augmentation de la demande globale d’énergie, sans se substituer aux ressources fossiles comme le charbon, le pétrole, le gaz naturel. La volonté d’aller vers une décroissance énergétique est très marquée chez certains acteurs, mais ce n’est pas encore une réalité aujourd’hui. Si je me projette à quinze ou vingt ans, l’hydrogène pourrait permettre de remplacer ces sources d’énergie primaires qui rejettent massivement des gaz à effet de serre, sans pour autant rentrer dans une logique de décroissance énergétique. Mais, je le répète, pour y parvenir, il faudra envisager une augmentation de la production d’électricité pour permettre la fabrication de cet hydrogène.

Le gouvernement entend « faire de la France de demain le champion de l’hydrogène décarboné » en proposant un plan de 7,2 milliards d’euros. Ces investissements sont-ils à la hauteur des enjeux pour le développement d’une véritable filière économique de l’hydrogène ?

©Anthony

D. H. : En proposant une enveloppe de 7,2 milliards d’euros d’investissements pour la filière hydrogène, le gouvernement envoie un signal très fort. Je parlais de substitution de ressources énergétiques, mais il faut aussi envisager une substitution en matière d’outil industriel pour tous les acteurs économiques de la filière. Il est important d’adresser ce signal aux chercheurs, aux collectivités territoriales, aux acteurs économiques de la filière mais il faut aussi résolument s’engager dans des investissements pluriannuels. Ces investissements sont donc un premier pas qui demande à être poursuivi, car ces 7,2 milliards ne suffiront pas pour mener la transition écologique et énergétique à son terme.

Les décideurs politiques et économiques parlent aujourd’hui de relance économique, de réindustrialisation, de relocalisation ; l’hydrogène permet de cocher toutes ces cases. Développer cette filière permettrait de relocaliser tout un pan de l’industrie sur le territoire français. Aucun pays ne fait seul la course en tête en matière de leadership sur l’hydrogène, il y a donc des places à prendre.

Daniel Hissel. © Cyril FRESILLON / FEMTO-ST / CNRS Photothèque

En 2002, le prospectiviste Jeremy Rifkin promettait que l’hydrogène serait le pilier de la troisième révolution industrielle. Comment expliquer que cette percée attendue ne soit pas encore advenue ?

D. H. : En 2002, les avancées technologiques ne permettaient pas à la filière de se développer comme elle le fait aujourd’hui, et il y avait beaucoup de travaux à mener pour la faire gagner en maturité. La situation a considérablement changé en dix-huit ans. Les objets ont atteint une maturité technologique suffisante pour envisager leur application dans des outils ou des systèmes industriels. Les progrès en matière de performance sont énormes. On a simultanément amélioré l’efficacité énergétique des piles à combustible et divisé les prix par 30 en 20 ans. Moins chère et plus efficace, la filière hydrogène est arrivée à maturité technologique.

Il faut également prendre en compte l’augmentation de la maturité dans la compréhension des enjeux climatiques. Aujourd’hui, la nécessité de décarboner notre économie est communément admise.

Vous avez été récompensé par la médaille de l’innovation CNRS 2020 pour vos travaux portant sur les applications de la pile à hydrogène. Sur quelle rupture technologique travaillez-vous ?

D. H. : La pile à hydrogène sert à fabriquer de l’électricité et de la chaleur à partir d’hydrogène. Avec mon équipe, nous travaillons plutôt sur son intégration : nos partenaires souhaitent utiliser des piles à combustible et les optimiser pour leurs dispositifs industriels. Cette réflexion s’articule autour de deux axes de recherche.

Le premier concerne l’optimisation énergétique de la pile à combustible : comment la faire fonctionner mieux, c’est-à-dire comment produire plus d’énergie électrique ou thermique pour une même quantité d’hydrogène ? On parle d’optimisation de leur efficacité énergétique.

Le second concerne la durée de vie de ces objets : comment faire en sorte qu’ils durent le plus longtemps possible ? Il s’agit de répondre à des exigences de cahier des charges, mais aussi de réduire les coûts d’exploitation et d’usage. Dans ce cadre-là, on travaille sur des méthodes de diagnostic pour estimer l’état de santé de la pile à hydrogène en temps réel, et donc être en capacité de prendre les bonnes décisions quant à la façon de les faire fonctionner. Nos travaux portent donc sur l’efficience énergétique rendement et la durée de vie des piles à hydrogène.

Le gouvernement entend miser sur l’hydrogène pour relancer le secteur aéronautique. Quels sont les enjeux ?

©Airbus – ZEROe concept aircraft

D. H. : Le plan de soutien pour 2035 qui concerne le secteur aéronautique est très ambitieux. Le premier enjeu concerne la décarbonation du transport aérien. L’hydrogène peut être une option intéressante, pas uniquement du point de vue des piles à hydrogènes. On peut envisager également de faire de la combustion d’hydrogène dans les turbines. La question est donc d’emporter de l’hydrogène dans les avions. C’est un vrai défi ! Notamment parce que les délais annoncés sont très courts et qu’il s’agit d’une vraie révolution. Je crois néanmoins que l’hydrogène est l’une des réponses face à l’enjeu de décarbonation du transport aérien.

Je crois que l’hydrogène est l’une des réponses face à l’enjeu de décarbonation du transport aérien.

Daniel Hissel

Quelle place pour l’hydrogène dans le mix énergétique global de la France demain ?

D. H. : L’idée est de substituer aux sources d’énergie fossile des solutions dont l’hydrogène fait partie. Ce n’est pas la seule solution. Cela suppose une transformation de nos sources d’approvisionnement. En France, nous n’avons ni pétrole, ni charbon, ni gaz naturel. Ces importations représentent des transferts économiques colossaux, qui sont effectués chaque année vers d’autres pays. Au-delà de la relocalisation industrielle dont je parlais, il y a un enjeu de réappropriation de la fourniture énergétique. Si l’on va dans le sens d’un recentrage de la production vers la France ou l’Europe on fera des économies. Sauf à avoir une inflexion rapide et durable de la pente de consommation énergétique, il nous faudra remplacer ces importations par une production propre d’hydrogène.

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