L'économie de l'hydrogène propre du Midwest : Potentiel de décarbonisation de l'industrie au bénéfice de la collectivité et du climat
Le Midwest est une région dynamique et diversifiée du pays, dont l'économie ne se limite pas à l'agriculture. Le Midwest abrite la plus grande raffinerie de pétrole du pays, l'essentiel de la production nationale de fer et d'acier, de nombreux fabricants d'engrais et de produits chimiques, ainsi qu'un vaste réseau de transport routier inter-États et de poids lourds. Chacune de ces industries est considérée comme un secteur difficile à abattre, car elle utilise des carburants à base de carbone (par exemple, le diesel) ou produit du carbone dans le cadre de son processus de production (par exemple, l'acier ou les raffineries) et ne peut pas être entièrement décarbonisée par l'électrification. L'hydrogène à faible teneur en carbone est un élément essentiel de l'ensemble des solutions d'atténuation du changement climatique, notamment en tant qu'intrant pour d'autres produits destinés à ces industries difficiles à abattre et en tant que carburant sans carbone pour remplacer les carburants liquides actuels. Il est donc susceptible de jouer un rôle important dans la réalisation, à un coût abordable, d'une décarbonisation complète de l'économie d'ici à 2050.
En 2023, le ministère américain de l'énergie (DOE) a lancé une stratégie nationale pour l'hydrogène afin d'accroître la production et l'utilisation d'hydrogène à faible teneur en carbone dans tout le pays. Compte tenu de la concentration d'industries difficiles à supprimer dans le Midwest, la région devrait bénéficier du programme régional de pôles d'hydrogène propre du ministère de l'énergie (programme Hubs) promulgué par le Congrès. En particulier, le programme Hubs du DOE peut aider et doit garantir que l'hydrogène à faible teneur en carbone est utilisé en priorité dans les secteurs d'utilisation finale qui utilisent actuellement de l'hydrogène afin de maximiser les réductions d'émissions de dioxyde de carbone (CO2) existantes. À mesure que le programme Hubs se développe et que les quantités produites augmentent, d'autres secteurs d'utilisation finale prometteurs en termes d'avantages pour le climat et la collectivité devraient être privilégiés, notamment les industries clés du Midwest telles que l'industrie lourde et les transports lourds.
Les centres d'hydrogène du Midwest
Actuellement, l'hydrogène est utilisé comme matière première et comme source de carburant pour toute une série de produits utilisés dans le monde moderne. Aujourd'hui, l'hydrogène est presque exclusivement produit à partir de matières premières fossiles, la majeure partie de l'hydrogène mondial actuel étant produite par un processus appelé reformage du méthane à la vapeur (SMR), où le gaz naturel réagit avec de la vapeur pour diviser les deux molécules, ce qui donne de l'hydrogène pur et duCO2. Au niveau mondial, cette production d'hydrogène à forte intensité de carbone représente plus de 900 millions de tonnes métriques d'émissions deCO2 par an (environ 2,5 % de nos émissions mondiales). Le programme Hubs vise à réduire ces émissions et à catalyser de nouvelles utilisations de l'hydrogène dans des secteurs difficiles à maîtriser en fournissant des ressources de démonstration pour faire passer les processus de production existants à des méthodes de production à faible teneur en carbone. Cinq centres du Midwest ont soumis des demandes finales au DOE dans le cadre de la procédure concurrentielle du programme Hubs :
- Hub hydrogène propre des Grands Lacs (GLCH)
- Hub Heartland(HH2H)
- Hub pour l'hydrogène, l'agriculture, les énergies renouvelables, les véhicules, le stockage de l'énergie et les transports (HARVEST)
- Centre d'hydrogène propre du Mid-Continent(MCH2)
- Alliance du Midwest pour l'hydrogène propre(MachH2)
Parmi les cinq candidats, HH2H et MachH2 ont été sélectionnés par le DOE pour la prochaine phase du programme Hubs.
Ces candidats prévoient de développer des processus de production et des utilisations finales primaires similaires, selon la recherche CATF , les annonces des candidats et l'annonce de l'Office of Clean Energy Demonstrations (OCED) du ministère de l'énergie, comme le montre le tableau ci-dessous.
| États concernés | Demandeur(s) principal(aux) | Filière de production | Utilisateurs finaux | |
|---|---|---|---|---|
| HH2H | MT, MN, ND, SD, WI* | U. Centre de recherche sur l'énergie et l'environnement du Dakota du Nord | Gazéification de la biomasse Nucléaire Énergies renouvelables Gaz naturel avec capture et séquestration du carbone | Engrais Production d'électricité Chauffage résidentiel Transport |
| MachH2 | IL, IN, MI | Constellation | Nucléaire Énergies renouvelables Gaz naturel avec capture et séquestration du carbone | Raffinage industriel Transport Production d'électricité |
Si les deux pôles sélectionnés vont aller de l'avant, il reste à voir si les trois autres candidats poursuivront leur route de manière indépendante.
La production à faible teneur en carbone est essentielle
HH2H et MachH2 ont déclaré qu'ils utiliseraient une combinaison d'énergie nucléaire, éolienne et solaire pour alimenter les électrolyseurs qui produiront de l'hydrogène à faible teneur en carbone en séparant l'eau. Les deux centres prévoient également une production à partir de gaz naturel avec piégeage et séquestration du carbone. Quelle que soit la méthode de production, les centres doivent faire tout leur possible pour réduire au minimum leurs émissions de gaz à effet de serre. Pour la production à partir d'électrolyseurs, cela signifie utiliser de l'électricité sans carbone pour faire fonctionner les électrolyseurs. Pour la production à base de gaz naturel, cela signifie atteindre des taux élevés de capture du carbone, minimiser les fuites de méthane de la chaîne d'approvisionnement en gaz naturel et utiliser de l'électricité sans carbone pour toute électricité de processus.
Les utilisations finales à haute valeur ajoutée doivent être privilégiées
Comme pour tous les nouveaux investissements technologiques, il y a à la fois des promesses et du battage médiatique. On a beaucoup parlé de l'utilisation de l'hydrogène pour diverses utilisations finales, mais il est important de noter que sa production consomme beaucoup d'énergie et qu'il s'agit d'un vecteur énergétique coûteux. Pour ces raisons, les centres devraient donner la priorité à l'utilisation de l'hydrogène dans les secteurs qui utilisent actuellement l'hydrogène comme intrant, puis dans les secteurs qui n'ont pas d'alternatives de décarbonisation réalisables ou dont le coût d'électrification est prohibitif. Dans le Midwest, l'hydrogène représente une option pour compenser les émissions existantes dans plusieurs secteurs importants :
- Raffinage du pétrole
Au niveau mondial, environ 43 % de tout l'hydrogène actuellement produit est créé et consommé dans les raffineries de pétrole. Remplacer la production actuelle d'hydrogène à fortes émissions par de l'hydrogène à faible teneur en carbone est un gain facile qui peut réduire les émissions deCO2 à court terme, alors que les raffineries passeront au cours des prochaines décennies à une économie à faible teneur en carbone.
- Production d'ammoniac
Au niveau mondial, la production d'ammoniac, principalement utilisée pour créer des engrais, produit environ 500 millions de tonnes métriques deCO2. Le remplacement des méthodes actuelles de production d'hydrogène par de l'hydrogène à faible teneur en carbone peut réduire considérablement l'intensité carbonique de ce processus.
- Fabrication du fer et de l'acier
Le Midwest est l'une des locomotives de l'industrie sidérurgique des États-Unis. L'hydrogène peut être utilisé dans certaines de ces usines pour remplacer le charbon de coke dans le processus d'affinage du fer ou brûlé dans un environnement d'oxygène pur (appelé "oxy-combustion") pour remplacer le gaz naturel dans des applications à haute température telles que la fabrication de l'acier et du verre.
- Méthanol
Le méthanol est une matière première chimique qui entre dans la composition d'une grande variété de produits ménagers et chimiques. Sa production utilise le gaz naturel comme matière première. Le remplacement de ce gaz par de l'hydrogène à faible teneur en carbone permettrait de réduire l'intensité carbonique globale de cette matière première de base. Toutefois, compte tenu de sa structure chimique (CH3OH), il ne peut pas être entièrement décarbonisé.
D'autres utilisations prometteuses qui pourraient avoir des effets bénéfiques sur le climat dans le Midwest sont les suivantes :
- Transport lourd longue distance
Les flottes de camions diesel sillonnent la région et le pays, créant une importante pollution atmosphérique locale le long des corridors interétatiques. S'il existe actuellement des véhicules électriques à batterie (BEV) pour les flottes de poids lourds, les véhicules électriques à pile à combustible (FCEV) utilisent l'hydrogène comme vecteur énergétique et offrent toute une série d'avantages par rapport aux BEV.
- Carburants pour le transport maritime
Le transport maritime dans la région des Grands Lacs, les flottes de barges fluviales dans tout le Midwest et dans le monde entier dépendent fortement du carburant diesel. L'hydrogène, l'ammoniac et le méthanol à faible teneur en carbone sont autant d'options pour remplacer les flottes diesel actuelles, et l'approvisionnement en hydrogène pour l'un ou l'autre de ces carburants finaux à partir de sources à faible teneur en carbone contribuera à faire en sorte que ces conversions soient aussi bénéfiques que possible pour le climat.
- Raffinage des biocarburants
Tout comme le raffinage du pétrole, les matières premières de la biomasse utilisées pour créer des biocarburants nécessitent de l'hydrogène pour éliminer l'oxygène et hydrotraiter le produit final. Le remplacement de la production actuelle d'hydrogène par de l'hydrogène à faible teneur en carbone est une autre possibilité de réduire les émissions associées à la production de biocarburants.
- Carburants d'aviation durables
Le secteur de l'aviation représente environ 2 % des émissions mondiales deCO2 et l'électrification des avions est un défi. Les carburants durables pour l'aviation (Sustainable Aviation Fuels - SAF) constituent un tout nouveau domaine d'étude qui se développera au cours des prochaines décennies. L'hydrogène peut constituer une option de décarbonisation - par le biais d'avions alimentés à l'hydrogène, de l'utilisation de l'hydrogène comme matière première dans un carburant synthétique, ou de l'hydrotraitement nécessaire des SAF d'origine biologique. Les réductions d'émissions potentielles de ces carburants de remplacement actuellement proposés nécessiteront l'utilisation d'hydrogène à faible teneur en carbone comme matière première.
L'hydrogène est également envisagé pour d'autres secteurs et utilisations finales, mais il ne s'agit peut-être pas des voies de décarbonisation les plus bénéfiques pour le climat et la collectivité. La combustion d'hydrogène avec de l'air peut augmenter les émissions locales d'oxydes d'azote (NOx), qui sont liées à des risques pour la santé respiratoire. Ainsi, l'utilisation de l'hydrogène pour le mélange de gaz naturel, la production d'électricité, le chauffage résidentiel et les véhicules légers ou de tourisme (appelés moteurs à combustion interne à hydrogène ou H2ICE) doit faire l'objet d'un examen minutieux afin de s'assurer qu'elle n'aggrave pas les problèmes de pollution de l'air dans les communautés historiquement surchargées. Toute augmentation prévue devra être mise en balance avec la diminution d'autres émissions locales (par exemple, les particules) pour que les communautés puissent évaluer les compromis et déterminer les solutions de remplacement. De même, l'utilisation de l'hydrogène comme option de stockage saisonnier de l'énergie peut avoir quelques applications de niche, mais son utilisation sera probablement spécifique à une région.
Prochaines étapes
Bien qu'ils aient été sélectionnés en tant que finalistes, les deux Hubs du Midwest ne sont pas encore définitifs. Le programme des hubs entre à présent dans la phase de négociation, au cours de laquelle le ministère de l'énergie et les candidats aux hubs parviendront à une compréhension commune de la portée du projet, du budget et des exigences de l'accord d'attribution - y compris les engagements liés aux avantages pour les communautés. Dans le cadre de ce processus, l'engagement des communautés et les plans de retombées communautaires seront essentiels pour garantir que les communautés d'accueil sont informées de la technologie et sont en mesure de contribuer à façonner les avantages et à atténuer les risques associés à ces nouveaux projets d'infrastructure. Il s'agit d'un élément central du programme Hubs, et il sera essentiel que les communautés d'accueil, les promoteurs et les tiers intéressés, comme CATF, travaillent en collaboration pour relever les nouveaux défis qui pourraient émerger. Quelques-uns de ces défis pourraient être les suivants :
- Décisions d'implantation pour les énergies renouvelables, les électrolyseurs, le stockage du carbone, le stockage de l'hydrogène et les infrastructures de transport ;
- Veiller à ce que la demande d'hydrogène se développe dans les secteurs où l'hydrogène est déjà utilisé comme intrant, puis dans les secteurs où l'hydrogène est le plus prometteur pour décarboniser les secteurs difficiles à abattre ; et
- Maximiser les avantages locaux (par exemple, l'amélioration de la qualité de l'air et les possibilités de développement de la main-d'œuvre) et atténuer les risques (par exemple, l'utilisation, le traitement, la réutilisation et l'élimination de l'eau en toute sécurité).
À ce jour, HH2H et MachH2 ont présenté divers aspects de leurs plans de retombées communautaires, dont plusieurs méritent d'être soulignés. HH2H, par exemple, prévoit un accord de partenariat potentiel avec les nations Mandan, Hidatsa et Arikara, les agriculteurs locaux et les coopératives agricoles ; il se concentre sur la création de richesses pour les partenaires communautaires ; il intègre des programmes STEM et d'apprentissage de la maternelle à la terminale ; et il est régi par un conseil consultatif du CBP. De même, MachH2 s'est engagé à faire participer les communautés historiquement défavorisées à la recherche d'emplois bien rémunérés associés à la plate-forme ; il s'est engagé à consacrer plus de 40 % des fonds de sous-traitance à des entreprises diverses ; et il est régi par un groupe de travail consultatif sur les avantages pour la communauté et par des conseils consultatifs locaux. Maintenant que les candidats sont entrés dans la phase de négociation du programme Hubs, il est essentiel de veiller à ce que ces engagements se concrétisent.
Le Midwest dispose d'un grand nombre d'industries qui pourraient bénéficier d'une réduction significative des émissions de carbone grâce à la mise en place et à l'utilisation d'hydrogène à faible teneur en carbone. Grâce à un engagement et à des partenariats communautaires significatifs qui confèrent un pouvoir de décision aux communautés d'accueil et un effort de bonne foi pour répondre aux préoccupations des communautés, ces centres et leurs projets ont le potentiel de réduire la pollution atmosphérique locale et de créer des opportunités d'emploi dans le domaine de l'énergie propre pour les communautés locales. Toutefois, pour que ces avantages se concrétisent dans le Midwest, une collaboration étroite entre les communautés, les promoteurs des centres et les décideurs politiques sera essentielle.
Pour en savoir plus sur les centres d'hydrogène, veuillez consulter la carte des centres d'hydrogène des États-Unis sur CATF, ainsi que notre blog le plus récent suite à l' annonce de la sélection des centres d'hydrogène. Ces ressources seront mises à jour au fur et à mesure de l'apparition d'informations supplémentaires sur les centres.
