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Hydrogène bleu

Nous avons besoin d'hydrogène "bleu". Et nous devons le faire correctement.

3 septembre 2021 Domaine de travail : carburants à zéro émission de carbone

L'hydrogène est essentiel à la décarbonisation de secteurs clés de l'économie. Alors que l'hydrogène "vert" pourrait dominer à long terme, l'hydrogène "bleu" peut réduire les émissions rapidement à court terme - si les décideurs politiques récompensent les performances appropriées.

Le Groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat nous a prévenus - une nouvelle fois - que nous devions réduire les émissions de gaz à effet de serre (GES) à un niveau net nul d'ici le milieu du siècle afin d'éviter les effets les plus néfastes du changement climatique. Cela signifie que des réductions rapides et profondes des émissions sont essentielles tant pour le dioxyde de carbone que pour les polluants climatiques à plus courte durée de vie, notamment le méthane. Dans le même temps, l'Agence internationale de l'énergie nous indique qu'en 2021, les émissions de CO2 devraient augmenter d'environ 5 % par rapport aux niveaux de 2020 et qu'elles atteindront des niveaux presque pré-pandémiques d'ici la fin de l'année. La raison en est simple : le déploiement des sources d'énergie à fortes émissions continue de dépasser celui des sources d'énergie à faibles émissions.

Malgré la croissance des émissions, il existe des raisons d'être optimiste. Les données de l'Agence internationale pour les énergies renouvelables indiquent que la capacité mondiale d'électricité renouvelable a augmenté d'environ 10 % en 2020 (principalement grâce à l'énergie éolienne et solaire). Il s'agit d'ajouts essentiels à l'approvisionnement en électricité propre d'un monde en pleine croissance. Mais ils ne suffisent pas, et l'électricité propre n'est pas le seul problème que nous devons résoudre. La consommation d'énergie et les émissions continuent de croître dans les secteurs du camionnage lourd, du transport maritime international, de la sidérurgie et du chauffage des procédés industriels (par exemple, la fabrication de produits chimiques), où le remplacement par de l'électricité propre peut être particulièrement difficile.

L'hydrogène est une solution pour décarboniser ces secteurs difficiles à électrifier. L'hydrogène est un puissant vecteur énergétique qui ne contient pas de carbone et n'émet donc pas de CO2 à son point d'utilisation. Environ 70 millions de tonnes d'hydrogène par an sont utilisées aujourd'hui dans le monde, principalement comme matière première dans le raffinage du pétrole et la production d'engrais. Les analystes estiment qu'entre un demi-milliard et un milliard de tonnes par an (ou plus) d'hydrogène pourraient être nécessaires d'ici le milieu du siècle, ce qui représente un quart de la demande énergétique finale mondiale dans certains scénarios de décarbonisation. Les décideurs politiques aux États-Unis, en Europe et en Asie ont commencé à s'efforcer de garantir la disponibilité de ces réserves d'hydrogène pour soutenir les efforts de décarbonisation. Si l'hydrogène produit sans émissions importantes de gaz à effet de serre n'est pas disponible à grande échelle, il est peu probable que ces secteurs puissent se décarboniser complètement.

Malheureusement, très peu d'hydrogène est disponible gratuitement dans la nature. Il doit être fabriqué en utilisant d'autres énergies et matériaux primaires, et ce processus de production peut entraîner d'importantes émissions de gaz à effet de serre. L'électricité peut être utilisée pour séparer l'hydrogène de l'eau (un processus appelé électrolyse), et la chaleur peut être utilisée pour séparer l'hydrogène des hydrocarbures (un processus appelé reformage, qui nécessite également de l'eau). Bien que les détails techniques soient complexes et variables, les voies de base sont présentées ci-dessous. La grande majorité de l'hydrogène actuel est produit par la voie du reformage (et par la "gazéification" des combustibles solides, qui est chimiquement similaire).

Graphique du flux d'utilisation de l'hydrogène

Les émissions de gaz à effet de serre peuvent provenir de toutes les étapes indiquées, y compris la production en amont de gaz et d'électricité, le site de production d'hydrogène lui-même, et même l'utilisation en aval dans certains cas. Bien entendu, ces émissions dépendent de la technologie et des pratiques employées à chaque étape. Pour la filière électrolyse, les émissions les plus importantes proviennent généralement de la production d'électricité dans les étapes en amont. Si elles ne sont pas gérées, ces émissions peuvent être importantes. La combustion des combustibles utilisés pour la production d'électricité dans l'étape en amont pour un électrolyseur connecté au réseau électrique du Texas aujourd'hui entraînerait environ 23 kilogrammes de CO2 pour chaque kilogramme d'hydrogène produit. Pour la filière du reformage, les émissions les plus importantes pourraient provenir des étapes en amont (principalement les émissions de méthane provenant de la production de gaz naturel) ou du site de production lui-même. Un nouveau site de reformage émettrait environ 9 kilogrammes de CO2 pour chaque kilogramme d'hydrogène produit. Les réductions d'émissions aux étapes du processus sont possibles grâce à la technologie (comme le piégeage du carbone sur les reformeurs) et aux pratiques opérationnelles (comme la prévention des fuites dans le système de production de gaz naturel et l'achat d'électricité à faible émission).

L'électricité renouvelable combinée à l'électrolyse peut produire de l'hydrogène avec une très faible empreinte de gaz à effet de serre sur le cycle de vie. Les propositions visant à utiliser l'électricité renouvelable pour la production d'hydrogène sont donc essentielles et méritent un soutien public important. Mais il est risqué de supposer que l'électrolyse avec de l'électricité renouvelable peut fournir tous les volumes d'hydrogène dont nous pourrions avoir besoin au milieu du siècle pour la décarbonisation. Pour répondre à la demande, nous devons développer en parallèle d'autres voies de production, notamment les voies basées sur le reformage avec capture du carbone, que l'on appelle souvent "bleues" lorsqu'on parle de production d'hydrogène carburant. Voici pourquoi :

  • Additionnalité : L'hydrogène "bleu" est faible en carbone, mais ne dépend pas de la précieuse électricité propre. Malgré la croissance rapide de la production d'électricité renouvelable dans le monde, elle n'a pas encore atteint le niveau de la production d'électricité à partir de combustibles fossiles. Même dans certaines régions où la production d'électricité renouvelable augmente rapidement et où la production d'électricité à partir de combustibles fossiles diminue, le réseau est encore relativement intensif en carbone et il faudra peut-être des décennies avant que l'électricité renouvelable soit disponible en quantité suffisante pour remplacer totalement les combustibles fossiles. Dans ces conditions, l'utilisation d'électricité renouvelable pour la production d'hydrogène peut retarder la décarbonisation du réseau. Cela n'est pas vrai partout, bien sûr. La production renouvelable "excédentaire" ou "réduite" peut être utilisée pour la production d'hydrogène sans augmenter l'intensité de carbone du réseau et pourrait même la réduire lorsqu'elle est stockée pour une utilisation ultérieure, et les énergies renouvelables de grande valeur situées loin des centres de charge électrique peuvent être utilisées pour la production et l'exportation d'hydrogène à grande échelle sans conséquences négatives sur le réseau électrique. D'une manière générale, cependant, la production d'hydrogène à partir d'électricité renouvelable augmentera la quantité d'électricité renouvelable que nous devons produire, ce qui accroît les autres défis de la décarbonisation. La modélisation réalisée pour CATF indique que pour décarboniser les États-Unis, il faudrait environ 20 fois plus d'énergie éolienne et solaire qu'aujourd'hui pour alimenter les charges directes (par exemple, les voitures électriques et le chauffage domestique) et environ 40 fois plus si l'électricité renouvelable est également utilisée pour produire tout l'hydrogène nécessaire.
  • Rythme de développement : l'hydrogène "bleu" peut réduire la pression sur les ressources foncières limitées. Selon uneanalyse récente de The Nature Conservancy, l'énergie éolienne aux États-Unis pourrait avoir un impact direct sur 40 fois plus de terres, par unité d'énergie produite, que la production conventionnelle de gaz naturel. Cette mesure inclut à la fois les turbines éoliennes elles-mêmes et l'espacement entre les turbines. Même en supposant que la capture du carbone double l'empreinte de la production de gaz naturel (ce qui semble peu probable), l'énergie éolienne nécessiterait toujours 20 fois plus de terres que le gaz naturel. Et cette utilisation des terres est de plus en plus une source de retard, de dépassement des coûts et de moratoires purs et simples sur le développement des énergies renouvelables. L'utilisation de la production éolienne et solaire pour produire de l'hydrogène, surtout si elle double la capacité requise, pourrait augmenter le rythme auquel les communautés deviennent saturées par l'extraction d'énergie renouvelable, menaçant ainsi la réussite de l'atténuation du climat tant dans la production d'électricité que de carburants. Les énergies renouvelables avancées telles que la géothermie de roche super chaude pourraient changer la donne, mais leur développement et leur déploiement prendront du temps. En produisant de l'énergie en dehors du système électrique, l'hydrogène "bleu" pourrait contribuer à préserver les terres rares et à accélérer le passage à une énergie à faible teneur en carbone sans retard lié aux besoins fonciers.
  • Coûts : Pour l'instant, l'hydrogène "bleu" est moins cher que l'hydrogène "vert". Les estimations courantes du coût de production de l'hydrogène "bleu" dans les régions où le gaz naturel est moins cher sont d'environ 1,50 $ par kg ou moins. L'hydrogène "vert" coûte plus de deux fois ce montant aujourd'hui, et les réductions nécessiteront des améliorations importantes de l'électrolyse et de l'électricité à très bas prix. De nombreux analystes pensent qu'il est possible d'atteindre ces faibles coûts, du moins dans certaines régions du monde, mais il faudra peut-être plusieurs décennies avant que des coûts aussi bas soient monnaie courante pour la production d'hydrogène "vert". Pendant cette période, aussi longue soit-elle, l'hydrogène "bleu" sera souvent moins coûteux que l'hydrogène "vert", et nous permettrait de prolonger notre investissement dans la décarbonisation. En général, la baisse des coûts de l'hydrogène favorisera une décarbonisation plus rapide et plus profonde, tout en permettant d'investir des fonds supplémentaires dans l'infrastructure et d'autres besoins de décarbonisation.

Même si nous avons besoin d'hydrogène à partir de combustibles fossiles avec capture du carbone, cela ne garantit pas qu'il sera suffisamment propre. Outre le captage très efficace du carbone lors du reformage, les émissions de méthane en amont doivent être réduites de façon spectaculaire (par rapport au taux de fuite moyen aux États-Unis) pour faire de cet hydrogène un carburant compatible avec la décarbonisation. Les estimations de l'impact de l'hydrogène "bleu" sur les gaz à effet de serre sont très variées et dépendent principalement des hypothèses relatives aux taux de fuite de méthane dans la chaîne d'approvisionnement en gaz naturel en amont et de l'efficacité des reformeurs dans le processus de production (en particulier la partie de ces processus relative au captage du carbone). Bien que certaines estimations récentes de ces impacts aient été assez élevées, il est possible de réduire considérablement l' empreinte de gaz à effet de serre de l'hydrogène "bleu". Nous le savons parce que les mesures indiquent que certains gisements de gaz aux États-Unis ont des taux de fuite aussi bas que 0,3 %-0,4 % - bien plus bas que le taux de fuite actuel (probablement supérieur à 2 %). Et nous savons comment des réglementations fortes, basées sur des précédents étatiques établis, peuvent conduire à une grande partie des réductions nécessaires. La réduction des émissions de la chaîne de valeur du gaz naturel n'est pas seulement réalisable, elle est aussi politiquement populaire.

Deux graphiques à barres
Notes sur la figure : Ces cas sont basés sur des hypothèses réalistes à des fins de comparaison, en utilisant une analyse simplifiée du cycle de vie, comme décrit ci-dessous. Le "gaz naturel" reflète la combustion du gaz naturel (51 kg de CO2 émis par gigajoule de pouvoir calorifique brut du gaz naturel consommé) plus les fuites (0,35% du gaz naturel consommé est rejeté en amont, supposé être du méthane à 100% ; 13,7 kg de gaz naturel requis par gigajoule de pouvoir calorifique brut) plus les émissions de CO2 associées à la production et au transport du gaz naturel (supposées ici à 0,1 kg de CO2 par kg de gaz naturel). "Le H2 vert correspond à l'électrolyse conventionnelle à basse température qui utilise 52 kWh d'électricité par kg d'hydrogène produit et qui fonctionne 90 % du temps avec de l'électricité non émettrice et 10 % du temps avec de l'électricité à l'intensité de CO2 du réseau texan (450 kg de CO2 par MWh). "Blue H2" reflète le SMR avec un captage de CO2 postcombustion de 90 %, selon l'analyse de l'AIE (2017), plus les émissions de l'approvisionnement en gaz naturel tel qu'utilisé dans le cas "Gaz naturel". Des niveaux plus élevés de captage du carbone sont réalisables avec des technologies plus avancées. Aucun crédit n'a été pris pour la petite production d'électricité résiduelle de ce cas. Les émissions associées à la fabrication et à la construction de l'équipement (comme les panneaux photovoltaïques, qui peuvent créer une empreinte importante sur le cycle de vie de l'énergie solaire, pour le cas "H2 vert") ont été omises dans tous les cas. L'impact sur les gaz à effet de serre de l'hydrogène émis lui-même est également omis, car ces émissions se produiraient en aval des sites de production et pourraient être similaires à celles des fuites de méthane dans la distribution du gaz naturel, qui ne sont pas non plus incluses ici, et seraient similaires pour les filières "bleue" et "verte". Bien que cela ne figure pas dans la figure, d'après l'AIE (2017), un reformeur de méthane sans capture du carbone entraînerait des émissions d'environ 12 kg d'équivalent CO2 par kg d'hydrogène, en supposant un taux de fuite de méthane de 2,3 % et un PRP du méthane de 34 (équivalent à 85 kg d'équivalent CO2 par GJ-HHV).

En ce qui concerne le piégeage du carbone, il est possible de construire aujourd'hui, à l'aide de la technologie commerciale, des reformeurs permettant un piégeage global du carbone de 90% ou plus. Combinés, ces taux de fuite de méthane plus faibles et ces reformeurs plus performants avec des niveaux élevés de captage du carbone peuvent produire de l'hydrogène qui entraîne une réduction d'environ 80 % des émissions de gaz à effet de serre par rapport à l'utilisation directe du gaz naturel (par exemple, dans les fours industriels) - et même des émissions plus faibles que celles de certains hydrogènes qui pourraient être considérés comme "verts".

La production d'hydrogène "bleu" à faible empreinte de gaz à effet de serre est réalisable aujourd'hui, et des niveaux encore plus bas sont possibles à terme. Étant donné que les carburants à base d'hydrogène sont précieux précisément en raison de leurs avantages en matière de gaz à effet de serre, les décideurs doivent lier les incitations à la production de carburant à base d'hydrogène aux performances en matière de gaz à effet de serre sur le cycle de vie, et l'industrie doit s'y conformer. Une combinaison de normes, de réglementations et de mécanismes de marché qui récompensent la production la plus propre sera probablement nécessaire. Des incitations progressives ou échelonnées liées aux niveaux d'émissions de gaz à effet de serre sur le cycle de vie pourraient permettre d'atteindre cet objectif. Une surveillance et une vérification rigoureuses des émissions associées à toutes les voies de production seront nécessaires. En fin de compte, si l'industrie de l'hydrogène "bleu" veut jouer un rôle significatif dans la décarbonisation, elle devra construire et exploiter une infrastructure qui offre tout son potentiel de réduction des émissions.

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