Décarboner le transport mondial : place à l’hydrogène vert
La décarbonation du secteur des transports s’accélère : CPCS le constate dans sa pratique.
En bref :
- L’hydrogène vert demeure, globalement, peu utilisé à ce jour en transport
- L’hydrogène vert parmi les solutions pour réduire les émissions de gaz à effet de serre des activités de transport
- CPCS appuie les organisations de transport et d’énergie à décarboner leurs activités
Hydrogène vert pour du transport plus propre
L’hydrogène vert est de plus en plus considéré pour décarboner le transport difficile à électrifier.
C’est notamment le cas du transport lourd routier, maritime et de l’aviation.
Et CPCS le constate dans le cadre de sa pratique. L’un dont un au Royaume-Uni où CPCS a examiné la possibilité d’alimenter une flotte de trains à l’hydrogène vert.
Au Canada, CPCS a étudié pour une organisation de transport les types de carburants marins à faible teneur en carbone à considérer pour l’aider dans sa transition énergétique.
Décarboner, plus facile à dire qu’à faire
Si les organisations du monde entier veulent accélérer leur transition énergétique, intégrer l’hydrogène à leurs activitiés et infrastructures existentes n’est pas si simple.
Actuellement, l’hydrogène produit est presque entièrement généré à partir de combustibles fossiles. Autrement dit, cette production d’hydrogène émet de grandes quantités de gaz à effet de serre (GES).
La Chine est le plus grand consommateur d’hydrogène pour le raffinage, suivi par les États-Unis et le Moyen-Orient. La production d’ammoniac et de méthanol représente la majeure partie de l’utilisation industrielle de l’hydrogène.
Selon l’Agence internationale de l’énergie (AIE), le secteur des transports est responsable de plus de 20 % des émissions de GES et d’un quart de la demande énergétique finale. Les produits pétroliers répondent à 90 % des besoins énergétiques du secteur des transports.
L’électrification des transports est une solution pour réduire les émissions de GES et l’hydrogène est une option pratique, car compter sur l’électrification seule n’est pas suffisant.
Pourquoi l’utilisation de l’hydrogène vert n’est pas répandue
De nombreuses raisons expliquent ceci.
D’une part, produire de l’hydrogène vert requiert une grande quantité d’électricité provenant d’énergies renouvelables.
Il faudrait environ 3 600 térawattheures par an d’énergie renouvelable dédiée – soit plus que la production annuelle totale d’électricité de l’Union européenne – pour remplacer toute la production actuelle d’hydrogène à partir de combustibles fossiles par une production décarbonée.
La production d’hydrogène à partir d’énergies renouvelables est également coûteuse.
Selon AIE, l’hydrogène gris produit à partir de gaz naturel coûte de 0,50 $ à 1,70 $ par kg d’hydrogène, tandis que l’hydrogène vert coûte entre 3 $ et 8 $. Même avec les mécanismes de captage, d’utilisation et de stockage du carbone (CCUS) qui ajoutent environ 0,50 $ US par kg au à la méthode à partir de gaz naturel, l’utilisation des énergies renouvelables dans le cadre de l’électrolyse de l’eau, elle, est deux fois plus chère.
Cet écart pourrait se réduire si le prix du carbone augmente sensiblement au cours des prochaines décennies, entraînant une hausse du coût d’utilisation des combustibles fossiles, en plus des améliorations technologiques qui pourraient faire baisser le coût des énergies renouvelables et des électrolyseurs.
Les piles à combustible, technologie la plus développée pour les transports
L’hydrogène pourrait contribuer bien davantage à la transition énergétique propre du secteur mondial des transports. La demande annuelle d’hydrogène dans les transports est inférieure à 20 000 tonnes, soit même pas 0,02 % de la demande totale d’hydrogène.
Deux technologies basées sur l’hydrogène sont utilisées dans les transports :
- les moteurs à hydrogène, très semblables aux véhicules fonctionnant au diesel ou à l’essence
- les piles à combustible, qui retransforment l’hydrogène en électricité, inversant ainsi le processus d’électrolyse. Les piles à combustible sont de loin la technologie la plus développée et sont souvent couplées à des batteries dans les véhicules à des fins pratiques.
Selon l’AIE, alors que 11 millions de véhicules électriques circulaient sur les routes du monde en 2020, on ne comptait que 40 000 véhicules électriques à pile à combustible. Parmi ceux-ci, 74 % étaient des véhicules légers de tourisme.
Les bus à pile à combustible ne représentent que 16 % du parc de véhicules à pile à combustible et près de 95 % d’entre eux se trouvent en Chine, qui est également en tête pour l’adoption des camions à pile à combustible avec plus de 3 000 véhicules en service en 2020.
Les camions à pile à combustible utilisent fondamentalement la même chaîne de traction électrique que les camions à batterie, mais grâce à leur stockage d’hydrogène embarqué, ils ont une autonomie beaucoup plus grande, nécessitent moins d’arrêts sur les longs trajets et peuvent être ravitaillés beaucoup plus rapidement. En outre, le stockage de l’hydrogène prend moins de place que les batteries, ce qui permet de gagner en capacité de chargement.
Le rail a un impact moins nocif sur l’environnement que de nombreux autres modes de transport. Néanmoins, l’industrie ferroviaire explore des carburants alternatifs pour aider à réduire son impact environnemental. Certaines entreprises ont adopté des moteurs alimentés par des batteries comme alternative plus propre au diesel, tandis que d’autres se tournent vers les trains à piles à hydrogène.
Par rapport aux trains électriques, les trains à pile à combustible ont une plus grande autonomie. Ils peuvent assurer une transition en douceur et l’interopérabilité en exploitant les mêmes itinéraires et les mêmes stations que les trains diesel actuels.
| En bref : En septembre 2022, l’Alstom Coradia iLint, le premier train à hydrogène au monde, a parcouru 1 175 kilomètres en Allemagne sans ravitailler son réservoir d’hydrogène. |
Les trains de passagers à pile à combustible commencent à être vus en Europe. En septembre 2022, le Coradia iLint d’Alstom, premier train à hydrogène au monde, a parcouru 1 175 kilomètres en Allemagne sans ravitailler son réservoir d’hydrogène.
Les trains à hydrogène de la multinationale française circulent sur les lignes du sud de l’Allemagne. Mais ils ne sont pas aussi verts qu’il n’y paraît car leur carburant est de l’hydrogène gris importé des secteurs pétroliers et gaziers étrangers.
L’utilisation généralisée de l’hydrogène dans le secteur ferroviaire est limitée par son volume. Le stockage de l’hydrogène nécessite un espace considérable, trois à quatre fois la taille d’un réservoir de carburant diesel, occupant une partie de l’espace réservé aux passagers.
Pour l’aviation, les premiers avions à hydrogène font leur apparition, mais la technologie sera en concurrence avec les biocarburants – un secteur plus mature qui ne nécessite pas la conception de nouveaux systèmes ni l’examen d’un nouvel ensemble de mesures de sécurité (l’hydrogène a une large gamme de concentrations inflammables dans l’air, et une énergie d’allumage plus faible que l’essence ou le gaz naturel, ce qui signifie qu’il peut s’enflammer plus facilement).
En ce qui concerne le transport maritime, des prototypes de navires à pile à hydrogène ont fait l’objet de démonstrations pour les déplacements sur de courtes distances. Mais l’attention s’est davantage portée sur les moteurs maritimes fonctionnant à l’ammoniac – ammoniac produit avec de l’hydrogène vert. Le méthanol, qui nécessite également de l’hydrogène pour être synthétisé, est un carburant plus mature que l’hydrogène et l’ammoniac pour le secteur maritime.
Transition vers des systèmes d’infrastructure de transport propres
Dans la course à la décarbonisation des transports, l’hydrogène joue un rôle croissant et les experts de CPCS examinent sa faisabilité dans les projets de transport.
Alors que de plus en plus de gouvernements et d’entreprises souhaitent s’orienter vers un avenir vert à l’hydrogène, des experts sont nécessaires pour évaluer le marché et son potentiel. CPCS, dont le travail est entièrement axé sur les secteurs de l’électricité et des transports et qui possède une expertise en matière de partenariats public-privé, comprend à la fois les possibilités et les défis associés à la mise en œuvre de solutions à base d’hydrogène pour apporter de la valeur aux organisations et atteindre les objectifs de décarbonisation.
En bref, pour que l’hydrogène vert contribue de manière significative aux transitions énergétiques propres, les industries doivent remplacer leur approvisionnement actuel en hydrogène par un approvisionnement plus vert et moins carbonisé. En outre, l’hydrogène vert commence à concurrencer l’électrification pour décarboniser certains secteurs du transport.
| En bref : Selon l’AIE, le secteur des transports représente plus de 20 % des émissions de gaz à effet de serre et un quart de la demande énergétique finale. |
CONTEXTE
Notions de base sur l’hydrogène
L’hydrogène est l’atome le plus abondant de l’univers.
En langage courant, le terme hydrogène fait presque toujours référence au dihydrogène (H2), une molécule composée de deux atomes d’hydrogène. La molécule de dihydrogène est très rare dans la nature et doit être physiquement produite avant de pouvoir être consommée.
Selon l’Agence internationale de l’énergie (AIE), 90 millions de tonnes d’hydrogène ont été produites en 2020. Quelque 72 millions de tonnes (environ 80 %) provenaient d’unités de production d’hydrogène spécialisées, et 20 % étaient de l’hydrogène produit comme sous-produit dans des installations destinées à d’autres usages. Sur ces 80 %, environ 60 % provenaient de procédés au gaz naturel et 20 % du charbon.
Un arc-en-ciel d’hydrogène
Il existe d’autres moyens plus propres de produire de l’hydrogène et, même si l’hydrogène est invisible, les couleurs ont été utilisées comme outil de communication pour les distinguer.
| Fait rapide : Les émissions d’hydrogène gris représentent environ 10 kilogrammes d’équivalent CO2 par kilogramme d’hydrogène. |
L’hydrogène produit avec du gaz naturel (méthane) est appelé hydrogène gris. Le reformage du méthane à la vapeur est la méthode dominante pour produire de l’hydrogène à partir du méthane et cette technologie nécessite d’importantes quantités d’énergie pour porter le méthane à 700 degrés Celsius. Les émissions d’hydrogène gris sont d’environ 10 kilogrammes (kg) d’équivalent CO2 par kg d’hydrogène.
L’hydrogène noir, produit par gazéification du charbon, est surtout utilisé en Chine, le plus grand producteur d’hydrogène au monde. Les émissions de carbone doublent pratiquement pour la même quantité d’hydrogène produite.
Pour réduire les émissions de CO2 associées, de nouvelles technologies de production d’hydrogène ont été développées, notamment l’hydrogène “vert” et “bleu”.
L’hydrogène bleu consiste à ajouter la capture, l’utilisation et le stockage du carbone (CCUS) aux processus de production d’hydrogène gris et noir. Le carbone est soit utilisé comme ressource pour créer des produits ou des services, soit stocké de façon permanente dans des formations géologiques profondes. Mais il est impossible d’éliminer 100 % des émissions de CO2 générées par ce processus, il reste donc 1 à 4 kg d’émissions de CO2 par kg d’hydrogène.
L’hydrogène vert issu des énergies renouvelables
L’hydrogène peut également être produit par l’électrolyse de l’eau – un procédé qui permet de séparer l’eau en hydrogène et en oxygène à l’aide d’électricité. La réaction a lieu dans une unité appelée électrolyseur. Si l’électricité provient d’une énergie renouvelable, l’hydrogène produit est qualifié d’hydrogène “vert” et les émissions sont réduites à 0,5 à 1 kg de CO2 par kg d’hydrogène.
D’autres couleurs ont été ajoutées pour décrire la production avec d’autres sources d’électricité, notamment l’hydrogène rose utilisant l’électricité nucléaire, l’hydrogène jaune, qui réalise l’électrolyse uniquement grâce à l’énergie solaire. Enfin, d’autres technologies décarbonisées font leur apparition, comme l’hydrogène turquoise produit par une nouvelle technologie qui fractionne le gaz naturel ou le biométhane directement en hydrogène et en carbone solide.
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