Ce que dit le dernier rapport du GIEC sur carburants à zéro émission de carbone 

C'est aujourd'hui la "Journée de la décarbonisation" de la COP27, et c'est la première fois que la conférence consacre une journée entière à l'examen du portefeuille complexe de stratégies et de technologies nécessaires pour décarboniser les secteurs difficiles à éliminer. CATF s'attend à ce que l'hydrogène, en particulier l'hydrogène produit par des méthodes à faibles émissions, joue un rôle important dans les discussions d'aujourd'hui, étant donné que de nombreux pays et blocs régionaux l'intègrent dans leur stratégie de décarbonisation. Par exemple : 

• Les États-Unis ont adopté une loi comportant des dispositions relatives à l'hydrogène qui prévoit 8 milliards de dollars pour la création de centres régionaux d'hydrogène propre (loi bipartisane sur l'infrastructure) et jusqu'à 3 dollars par kilogramme (kg) d'hydrogène produit, en fonction de l'intensité de carbone de l'hydrogène (loi sur la réduction de l'inflation).  

• La Commission européenne, qui prévoit de produire et d'importer 10 millions de tonnes d'hydrogène renouvelable dans l'Union européenne d'ici 2030, a récemment approuvé un financement à hauteur de 5,2 milliards d'euros pour la recherche, le développement et le déploiement des infrastructures et des technologies de l'hydrogène. La Commission européenne a également annoncé la création d'une nouvelle banque européenne de l'hydrogène qui investira 3 milliards d'euros pour aider à construire le futur marché de l'hydrogène.  
• L'Égypte, pays hôte de la COP de cette année, invite également à investir dans l'hydrogène en construisant une installation de production d'hydrogène vert de 8 milliards de dollars dans la zone économique du canal de Suez. 

Les projets de loi et les engagements de ce type constituent "un grand pas en avant pour carburants à zéro émission de carbone ", selon Emily Kent, directrice américaine de Clean Air Task Forcepour carburants à zéro émission de carbone. carburants à zéro émission de carbone comme l'hydrogène et l'ammoniac ne contiennent pas de carbone - comme leur nom l'indique - et ne produisent pas de_CO2 lors de leur combustion. Alors que l'électrification et la mise en place d'une électricité à émissions nulles permettront de réaliser une grande partie du travail de décarbonisation, carburants à zéro émission de carbone comme "l'hydrogène à faibles émissions [a] un potentiel important en tant qu'outil climatique critique pour aborder les secteurs de l'économie difficiles à décarboniser comme le transport lourd et l'industrie lourde". Ces secteurs sont actuellement desservis par des carburants à fortes émissions et leur électrification peut être d'un coût prohibitif ou impossible sur le plan commercial.  

Pour une perspective supplémentaire et un résumé du consensus scientifique actuel, ce blog plonge dans le récent rapport du groupe de travail III (WGIII ) de la sixième évaluation (AR6) du Groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat (GIEC) pour explorer le point de vue du GIEC sur le rôle du site carburants à zéro émission de carbone en tant que solution climatique. 

L'hydrogène peut aider à équilibrer la charge à court et à long terme d'un réseau électrique entièrement décarboné.  

Le secteur électrique est la plus grande source d'émissions anthropiques de gaz à effet de serre (GES). Il représentait environ deux tiers des émissions mondiales en 2019 (rapport 6.3 du sixième rapport d'évaluation du Groupe de travail III). Pour parvenir à un réseau électrique neutre en carbone à 100 %, il faudra déployer rapidement une série de ressources énergétiques fermes, telles que l'énergie nucléaire, la géothermie en roche très chaude et le gaz naturel avec captage et stockage du carbone. Les ressources variables, comme l'énergie solaire et éolienne, auront également un rôle majeur à jouer. 

Le WGIII du GIEC conclut que le déploiement d'une production plus variable nécessitera une plus grande flexibilité du réseau grâce à "diverses solutions systémiques", notamment "l'hydrogène électrolytique et ses dérivés" (SPM C.4.3). Pour l'équilibrage à court terme, l'hydrogène peut être utilisé comme combustible pour les piles à combustible ou brûlé dans des turbines à gaz pour créer une puissance dispatchable, fournissant ainsi une capacité de production d'électricité "ferme et propre" pour équilibrer un réseau comportant d'importantes sources d'énergie intermittentes à zéro carbone. L'un des défis techniques potentiels consiste à adapter les turbines pour qu'elles fonctionnent à l'hydrogène pur et à gérer les émissions d'oxyde d'azote (NOX) qui en découlent en raison de la température plus élevée des flammes. Il existe déjà des turbines commerciales capables de fonctionner avec des ratios de 20 à 50 % d'hydrogène dans le gaz naturel, et de nombreuses entreprises se sont déjà engagées à en fabriquer des 100 % d'ici 2030.  

Pour l'équilibrage à long terme, l'hydrogène peut fournir un "stockage d'électricité pour soutenir une forte pénétration des énergies renouvelables intermittentes" et "permettre l'échange et le stockage entre différentes régions" (AR6 WGIII Report 6.6.2.4). Dans ce contexte, l'ammoniac peut être un "vecteur d'hydrogène rentable" pour l'utilisation de l'hydrogène à l'échelle du réseau, étant donné sa densité énergétique plus élevée et sa facilité de liquéfaction à des températures inférieures à -33°C à pression ambiante (rapport 6.4.5.1 du groupe de travail du RE6). Si nécessaire, l'ammoniac peut ensuite être "craqué" pour redevenir de l'hydrogène. L'ammoniac non craqué, comme l'hydrogène, peut également être utilisé dans des piles à combustible ou brûlé dans des turbines à gaz pour produire de l'énergie. Bien qu'il s'agisse de deux technologies naissantes, leur potentiel signifie que l'ammoniac " pourrait jouer un rôle majeur dans la formation d'une économie [interconnectée] de l'hydrogène et/ou de l'ammoniac pour soutenir la décarbonisation " (AR6 WGIII Report 6.4.5.1). 

Pour décarboniser le secteur industriel, il faut de l'hydrogène à faible taux d'émissions comme matière première et comme carburant. 

Le secteur industriel est le deuxième plus grand secteur émetteur et représentait 24 % des émissions mondiales en 2019. Si l'on inclut les émissions indirectes liées à la production d'électricité et de chaleur, il dépasse le secteur de l'énergie en tant que premier secteur émetteur, avec 34 % des émissions mondiales en 2019 (rapport 11.2.2 du WGIII du RE6). Le WGIII a fourni deux grandes catégories pour la façon dont l'hydrogène à faibles émissions peut décarboniser le secteur industriel : le changement de matière première et le changement de combustible. En ce qui concerne le changement de matière première, les procédés chimiques existants qui utilisent de l'hydrogène, comme la production d'ammoniac, peuvent utiliser une version à faibles émissions produite par électrolyse avec de l'électricité propre ou par reformage du gaz, associée à la capture du carbone et à d'autres mesures de réduction des émissions. Les procédés de réduction directe du fer (DRI) à base de gaz pour la production d'acier utilisent également déjà l'hydrogène, mais cette fois dans un mélange avec du monoxyde de carbone appelé gaz de synthèse. Le gaz de synthèse est utilisé dans ces procédés pour réduire les minerais de fer, ce qui élimine l'oxygène de l'oxyde de fer. L'éponge de fer qui en résulte peut ensuite être introduite dans des fours à arc électrique pour fabriquer de l'acier. Dans ce cas, l'hydrogène à faibles émissions peut remplacer jusqu'à 30 % du méthane utilisé pour produire le gaz de synthèse sans qu'il soit nécessaire de modifier le processus. L'objectif final, qui nécessite des modifications du processus, serait de remplacer entièrement le gaz de synthèse par de l'hydrogène uniquement, un exploit qui a déjà fait l'objet d'une démonstration commerciale à Trinidad.  

En tant que combustible, l'hydrogène peut être utilisé comme substitut complet ou partiel des combustibles contenant du carbone dans le chauffage des procédés. Le chauffage des procédés à haute température dans les hauts fourneaux et dans la production de produits chimiques primaires sont deux exemples où la cocombustion avec de l'hydrogène peut contribuer à réduire les émissions. Le GTIII a cité ici les travaux expérimentaux des projets Course50 et Thyssenkrupp qui ont démontré la possibilité de réduire les émissions de 30 à 40 % grâce à la cocombustion d'hydrogène dans les hauts fourneaux et les fours à oxygène (AR6 WGIII Report 11.4.1). Cette méthode de décarbonisation est déjà adoptée dans des régions comme le port de Rotterdam, où l'hydrogène sera utilisé comme combustible pour réduire les émissions de_CO2 de 2,7 millions de tonnes dans le cadre de son projet H-vision.  

Alors que les pays cherchent à adopter des politiques qui favorisent l'utilisation de versions à faible teneur en carbone des matériaux de base faisant l'objet d'échanges internationaux, le GTIII prévoit que " les régions disposant d'une énergie et de matières premières abondantes à faible teneur en GES ont le potentiel pour devenir des exportateurs de produits chimiques et de matériaux à base d'hydrogène traités à l'aide d'électricité et d'hydrogène à faible teneur en carbone " (SPM C.5.3). 

L'hydrogène peut contribuer à décarboniser le transport terrestre lourd, mais il faut des piles à combustible plus matures. 

Le secteur des transports est la quatrième plus grande source d'émissions de GES et représentait environ 15 % des émissions totales de GES en 2019 (rapport 10.1.2 du WGIII du RE6). Le WGIII estime que l'hydrogène est "très prometteur en termes de réduction des émissions s'il est produit à l'aide de sources d'énergie à faible teneur en carbone" pour "les segments de transport plus difficiles à électrifier, tels que les véhicules lourds" (AR6 WGIII Report 10.3.3). Cela correspond bien au point de vue deCATF sur l'utilisation de l'hydrogène dans les transports terrestres : les besoins énergétiques élevés des transports terrestres lourds posent des problèmes aux systèmes alimentés par batterie et signifient que les véhicules à pile à combustible à hydrogène pourraient être un élément clé de la décarbonisation totale du secteur. Il est plus probable que l'hydrogène joue un rôle complémentaire sur les marchés du transport léger.  

Pour que l'hydrogène joue un rôle plus important dans la décarbonisation des véhicules lourds, le GTIII préconise de nouvelles avancées dans la technologie des piles à combustible, car elle n'est pas encore " mature pour de nombreuses applications commerciales " (rapport 10.3.3 du RE6 du GTIII). Un exemple cité dans le rapport est l'amélioration de la durabilité des piles à combustible, qui doit approcher les 30 000 heures pour être compétitive par rapport aux véhicules diesel. Les piles à combustible utilisées dans les bus ont démontré une durabilité proche de cette plage, tandis que les véhicules légers à pile à combustible sont proches de la plage des 4 000 heures (Kurtz et al. 2019). CATF encourage les secteurs public et privé à poursuivre la recherche et le développement (R&D) pour améliorer la performance des piles à combustible afin de permettre à l'hydrogène d'être une solution climatique pour le secteur des transports. 

L'hydrogène à faible taux d'émission sera vital en tant que carburant ou matière première pour la décarbonisation des carburants dans les secteurs de la navigation et de l'aviation. 

Contrairement au transport terrestre, le GTIII prévoit que "les technologies ICE [moteurs à combustion interne] resteront probablement les options prédominantes pour le transport maritime et aérien. Ainsi, la réduction du_CO2 et des autres émissions des ICE par l'utilisation de technologies à faible teneur en carbone ou carburants à zéro émission de carbone est essentielle à une stratégie équilibrée de limitation des niveaux de polluants atmosphériques. " (Rapport AR6 WGIII 10.3.1).  

En ce qui concerne l'aviation, le GTIII précise que " la littérature n'étaye pas l'idée qu'il y ait de grandes améliorations à apporter à l'efficacité énergétique de l'aviation " - comme des avancées dans le système de propulsion ou des optimisations dans la conception de l'avion - " qui suivent le rythme de la croissance prévue du transport aérien " (Rapport complet 10.5.3). Si les avions plus courts et plus petits (moins de 50 passagers) pourraient être électrifiés, les avions plus longs et plus grands nécessiteront probablement de l'hydrogène liquide, des biocarburants produits de manière durable et/ou du carburéacteur synthétique. L'hydrogène est vital pour les processus de production de ces deux derniers produits ; les carburants synthétiques utilisent l'hydrogène comme matière première et les biocarburants ont besoin d'hydrogène pour la désulfuration. Jusqu'à présent, l'industrie s'est largement tournée vers les biocarburants, mais l'analyse récente de CATFmontre que toutes ces options sont probablement nécessaires pour décarboniser complètement l'industrie.   

Pour le transport maritime, le GTIII constate que " l'hydrogène et l'ammoniac, lorsqu'ils sont produits à partir d'énergies renouvelables ou couplés au CSC, par opposition aux combustibles fossiles [non contrôlés] dont les émissions sur le cycle de vie sont élevées (Bhandari et al 2014), peuvent contribuer à des réductions significatives de l'_{équivalent CO2} allant jusqu'à 70 à 80 % par rapport au fioul lourd à faible teneur en soufre (Bicer et Dincer 2018b ; Gilbert et al. 2018) " (Rapport 10.6.4 du GTIII du RE6). Bien que l'hydrogène liquéfié ait une densité énergétique volumétrique relativement faible par rapport aux combustibles fossiles liquides, elle reste supérieure à celle du gaz hydrogène comprimé et des batteries. Ainsi, il peut être un carburant acceptable pour certaines routes maritimes à courte distance.  

L'hydrogène et l'ammoniac peuvent tous deux être utilisés dans des turbines à gaz, des moteurs à combustion interne ou des piles à combustible pour produire de l'énergie. L'ammoniac peut également être utilisé pour transporter l'hydrogène, car il est plus facile à transporter que l'hydrogène liquide. Outre sa densité énergétique volumétrique supérieure de 50 % à celle de l'hydrogène liquide, l'ammoniac présente un avantage supplémentaire : environ 20 millions de tonnes par an (10 % de la production mondiale) sont déjà transportées par voie maritime. Par conséquent, de nombreuses installations portuaires disposent déjà d'une infrastructure de chargement, de stockage et de transport de l'ammoniac(Gallucci 2021).  

Pour avoir un impact positif sur le climat, l'hydrogène utilisé dans le cadre du changement de combustible ou de matière première doit avoir une faible intensité de GES. 

Pour tirer pleinement parti de la transition vers l'hydrogène des principaux secteurs émetteurs, le GTIII a insisté sur le fait que l'hydrogène utilisé doit avoir une faible intensité de GES (électrolyse utilisant de l'électricité à faible teneur en carbone, reformage du gaz avec des taux très élevés de capture et de stockage du carbone, très faibles taux d'émissions de méthane dans la chaîne d'approvisionnement en gaz naturel, ventilation et torchage minimaux, etc.) Le graphique ci-dessus est un exemple illustratif : un examen des émissions sur le cycle de vie en fonction des différentes technologies de transport et/ou des différents types de carburant pour les poids lourds. Le rapport du GTIII contenait ces graphiques pour chaque type de technologie de transport de marchandises, à l'exception de l'aviation. Pour les poids lourds, les émissions sur le cycle de vie de l'utilisation de piles à combustible alimentées par de l'hydrogène à fortes émissions (c'est-à-dire un reformage sans capture de carbone) sont parfois comparables à celles du diesel. En revanche, l'hydrogène et les carburants dérivés de l'hydrogène (ammoniac, FT-Diesel) produits à partir d'énergies renouvelables à faible teneur en carbone permettent de réduire considérablement les émissions par rapport aux carburants fossiles existants.  

Défis et recommandations CATF  

L'hydrogène à faibles émissions n'est toutefois pas sans poser de problèmes. Son efficacité en tant que solution de décarbonisation, comme le note le GTIII, dépendra de son coût par rapport à l'hydrogène classique et aux carburants à fortes émissions qu'il remplace, du niveau de préparation technologique de certaines utilisations finales et de la nécessité d'une infrastructure plus étendue (GTIII 6.6.2.4). Un autre défi majeur consistera à trouver un alignement international sur un système de certification, élément crucial qui non seulement garantit que l'hydrogène est produit selon des méthodes bénéfiques pour le climat, mais aussi établit la confiance du marché en accréditant les échanges entre les principaux importateurs et exportateurs d'hydrogène.  

CATF contribue à relever ces défis grâce à des analyses rigoureuses, à la conception de politiques publiques, à l'éducation du public et à la sensibilisation, en veillant à ce que le marché mondial, les politiques et les conditions politiques soient mûrs pour une transition complète des carburants à fortes émissions vers des solutions sans carbone. Nous recommandons aux parties prenantes de continuer à investir dans la recherche, le développement, la démonstration et le déploiement ("RDD&D") pour le développement responsable de la production et de l'utilisation d'hydrogène à faibles émissions. Les efforts de RDD&D tels que les U.S. Regional Clean Hydrogen Hubs permettront de tirer des enseignements qui pourront être partagés entre les régions afin de catalyser d'autres investissements et collaborations publics et privés. Les régions devraient également chercher à développer rapidement l'électricité sans carbone, en particulier l'énergie ferme propre, qui réduira les coûts de l'hydrogène électrolytique en permettant d'augmenter la durée de fonctionnement des électrolyseurs. Les cadres politiques favorables et la stimulation du marché pour l'infrastructure de gestion du carbone seront également essentiels pour réduire les coûts de la production d'hydrogène d'origine fossile avec des taux élevés de capture et de stockage du carbone.  

Conclusion 

Le GTIII du GIEC indique clairement que l'hydrogène à faible taux d'émission sera un outil essentiel dans la panoplie des solutions au changement climatique. Il indique également que l'hydrogène à faible taux d'émission a un immense potentiel pour aider à décarboniser les secteurs difficiles à éliminer. Les régions qui le comprennent et qui souhaitent adopter l'hydrogène à faible taux d'émission ou l'intégrer davantage dans leurs stratégies de décarbonisation doivent également regarder au-delà de leurs frontières. Pour relever ces défis en matière de politique, de marché et de recherche, il faudra davantage de discours, de collaboration et de consensus au niveau international. La "Journée de la décarbonisation" de la COP27 constitue une plate-forme prometteuse pour la poursuite de ces discussions.