Énergie

Hydrogène

Quelques définitions

Le dihydrogène (H2), que l’on appelle communément « hydrogène », est peu présent à l’état naturel sur Terre : il est généralement associé à d’autres éléments chimiques comme dans l’eau (H2O) où il est lié à un atome d’oxygène (O). Il ne constitue donc pas une source d’énergie prête à l’emploi comme le sont le charbon, le pétrole ou encore le gaz naturel. Néanmoins, une fois isolée par différents procédés industriels, la molécule d’hydrogène est capable de transporter et de stocker de l’énergie, comme le fait l’électricité : on le considère donc comme un vecteur énergétique.

L’hydrogène est un vecteur énergétique faiblement émetteur de gaz à effet de serre (GES) et non polluant lorsqu’il est produit à partir de sources d’énergies renouvelables comme l’hydroélectricité, l’éolien ou encore le solaire photovoltaïque. C’est dire qu’il ne dégrade pas l’environnement et ne contribue pas au réchauffement climatique quelle que soit l’étape de son cycle de vie.

Les utilisations possibles de l’hydrogène

Voici des exemples d’utilisation possible de l’hydrogène dans différents secteurs d’activité.

Secteur de l’électricité

L’hydrogène peut être utilisé pour :

  • soutenir la production des énergies renouvelables intermittentes, telles que le solaire photovoltaïque et l’éolien, en stockant l’électricité qu’elles produisent quand la demande est faible puis en l’utilisant en période de pointe. L’énergie excédentaire produite par ces sources peut ainsi être utilisée pour produire de l’hydrogène, lequel peut ensuite être reconverti en électricité en utilisant une pile à combustible;
  • stocker de l’électricité pour l’utiliser par exemple dans les régions où le réseau électrique n’existe pas et où l’électricité est donc produite à partir de sources polluantes comme le diesel.

Secteur industriel

L’hydrogène peut être utilisé pour :

  • la réduction du minerai de fer dans les procédés de production d’acier;
  • l’hydrocraquage et l’hydrotraitement dans les procédés de raffinage du pétrole;
  • les procédés à haute température comme la production de verre.

Secteur des transports

Dans le secteur du transport, l’hydrogène peut être utilisé en remplacement de carburants fossiles :

  • comme carburant externe d’une pile à combustible. Il existe déjà sur le marché des véhicules électriques équipés de piles à combustible. Ces véhicules sont intéressants dans la mesure où ils offrent l’autonomie et la simplicité d’usage des véhicules traditionnels (dits thermiques), tout en proposant une mobilité sans émission de gaz à effet de serre (GES) et un temps de recharge d’à peine cinq minutes, soit bien inférieur à celui des véhicules électriques à batterie;
  • pour produire des carburants synthétiques carboneutres comme de l’ammoniac ou du méthanol synthétiques dans le transport maritime, du kérosène synthétique dans le transport aérien, mais aussi des e-carburants ou des biocarburants dans le transport routier.

Secteur des bâtiments

L’hydrogène peut être utilisé pour remplacer les combustibles fossiles utilisés pour le chauffage de l’air et l’eau dans nos bâtiments institutionnels, industriels et commerciaux.

La production d’hydrogène

Il existe actuellement quatre procédés pour produire de l’hydrogène, carboné ou non. Selon le procédé choisi, la source d’énergie utilisée et les émissions de CO2, qui résultent de la production, l’hydrogène produit sera surnommé hydrogène vert ou propre, ou encore hydrogène bleu, noir, brun, etc.

La gazéification du charbon

Ce procédé permet d’obtenir de l’hydrogène et du monoxyde de carbone par la transformation chimique du bois à très haute température (1 200 à 1 500°C). En fonction du charbon utilisé pour la gazéification, l’hydrogène produit arborera deux couleurs : hydrogène noir quand il est produit à partir de houille ou d’anthracite et hydrogène brun quand il provient de la gazéification du lignite. C’est le procédé de production de l’hydrogène le plus émetteur de GES.

Le vaporeformage (ou reformage à la vapeur) du gaz naturel

Ce procédé consiste à transformer des charges d’hydrocarbures en gaz de synthèse riches en hydrogène par réaction avec de la vapeur d’eau et en présence d’un catalyseur à base de nickel, à haute température (840 à 950°C) et à pression modérée (20 à 30 bars). Il a l’inconvénient de générer d’importantes émissions de CO2, mais l’avantage d’être très abordable économiquement, ce qui explique sa popularité auprès des industriels qui l’utilisent depuis de nombreuses années pour raffiner du pétrole ou pour la chauffe. L’hydrogène produit par vaporeformage du gaz naturel est considéré comme de l’hydrogène gris ou comme de l’hydrogène bleu, si les émissions de CO2 émises par le procédé de production sont captées puis stockées ou utilisées par l’industrie. Néanmoins, les technologies de captage, d’utilisation et de stockage du carbone (CSUC) ne sont pas encore optimales, et une partie des GES émis ne sont pas interceptés. Aujourd’hui, la production mondiale d’hydrogène bleu demeure marginale.

L’électrolyse de l’eau

Ce procédé consiste à se servir d’un courant électrique pour provoquer une réaction d’oxydoréduction capable de séparer l’hydrogène et l’oxygène contenus dans l’eau. L’avantage de ce procédé est qu’il génère très peu de GES lorsque l’électricité utilisée provient d’une source d’énergie renouvelable (hydroélectricité, solaire photovoltaïque ou éolien) ou bas-carbone, comme le nucléaire. En revanche, le procédé requiert une quantité d’énergie au départ qui surpasse celle obtenue en finalité, nécessitant de grandes quantités d’électricité. Le Québec est l’un des rares endroits au monde où il est possible de produire de l’hydrogène vert à un coût compétitif puisqu’on y trouve d’importantes quantités d’électricité renouvelable disponibles maintenant et à un prix concurrentiel. Finalement, quand il est d’origine renouvelable, l’hydrogène est considéré comme vert et quand il est produit à partir d’électricité d’origine nucléaire, il est jaune.

La pyrolyse du gaz naturel

Ce procédé consiste à produire par pyrolyse du méthane de l’hydrogène sous forme gazeuse et du carbone solide (on parle usuellement de « noir de carbone ») plutôt que du CO2 comme le font l’hydrogène gris, brun ou noir. Cependant, si la production d’hydrogène en tant que telle n’émet pas directement du CO2, l’utilisation ultérieure du carbone solide en émettra plus ou moins en fonction de cette utilisation. De plus, pour que l’hydrogène produit par pyrolyse du gaz naturel, appelé turquoise, soit considéré comme bas‑carbone, la chaleur du réacteur à haute température doit être produite à partir de sources d’énergies renouvelables ou neutres en carbone. À l’heure actuelle, c’est une technologie encore émergente.