Léconomie hydrogène ou économie de l'hydrogène est le modèle économique dans lequel le dihydrogène (de formule chimique ) servirait de vecteur d'énergie commun pour mutualiser les différents types de production d’énergie et pallier le problème de l’intermittence des énergies renouvelables.
Ce principe est envisagé pour la première fois par Jules Verne en 1874, puis de façon plus détaillée par John Burdon Sanderson Haldane en 1923, et l'Allemagne nazie l'utilise pour produire des combustibles synthétiques à partir du charbon.
La production d'hydrogène est évaluée en 2021 à (millions de tonnes), dont l'essentiel pour le raffinage (élimination du soufre) et la production d'ammoniac ; cette production provient pour 62 % du gaz naturel, 18 % du pétrole, 19 % du charbon, 0,7 % d'une énergie fossile avec captage et valorisation du et 0,04 % de l'électrolyse de l'eau.
L'économie de l'hydrogène est de plus en plus invoquée pour ses potentielles perspectives d'avenir, en particulier : stocker les excédents des énergies renouvelables intermittentes (éolien, solaire, énergie marémotrice) ; contribuer à la décarbonation de l'économie : transport longue distance, industrie lourde, chimie, carburants, etc, où l'hydrogène peut remplacer les combustibles fossiles.
La notion d’économie hydrogène évoque aussi un système économique mondial qui pourrait se substituer à l'actuelle économie du pétrole, comme l'évoque le prospectiviste Jeremy Rifkin dans son livre sur la troisième révolution industrielle.
L'impact climatique de l'hydrogène dépend entièrement de la manière dont on le produit, qui peut être « propre » (décarboné), ou « sale » s'il provient d'hydrocarbures fossiles ou d'une agrochimie controversée.
À partir de 2020, le Pacte vert pour l'Europe et les subventions prévues par le plan de relance européen suscitent une vague de projet de production d'hydrogène décarboné.
Histoire vignette|gauche|upright=0.7|Jules Verne : « je crois que l’eau sera un jour employée comme combustible. » En 1800, William Nicholson et Sir Anthony Carlisle, découvrent l'électrolyse de l'eau The History of Hydrogen, hydrogenus.org..
En 1839, le chimiste suisse Christian Friedrich Schönbein découvre le principe de la pile à combustible et en 1845, William Robert Grove réalise la première pile à combustible, qu'il baptise la gas voltaic battery.
En 1874, Jules Verne écrit dans son roman L'Île mystérieuse : :Wikisource:fr:L’Île mystérieuse, Partie 2, Chapitre 11, page 318..
vignette|J. B. S. Haldane envisage en 1923 un modèle économique basé sur l'hydrogène. En 1910, Fritz Haber dépose un brevet pour un procédé chimique destiné à synthétiser de l'ammoniac (NH3) à partir du diazote (N2) gazeux atmosphérique et du dihydrogène (H2) gazeux en présence d'un catalyseur ; il reçoit le prix Nobel 1918 de chimie pour ces travaux ; le procédé Haber est perfectionné ensuite par le Français Georges Claude, fondateur de la société L’Air liquide. L’hydrogène devient une matière première de l’industrie chimique, en particulier pour la fabrication d'engrais et d'explosifs.
Le principe de l'économie hydrogène est envisagé de façon plus détaillée que chez Jules Verne, en introduisant le concept d'hydrogène renouvelable, par John Burdon Sanderson Haldane en 1923, dans son article « Science and the Future » Daedalus or Science and the Future, Cambridge, ..
L'Allemagne nazie utilise l'hydrogène pour produire des combustibles synthétiques à partir du charbon.
En 1959, Francis Thomas Bacon, de l'université de Cambridge, construit le premier prototype de pile à combustible, de , qui servira de modèle pour les futures piles à combustible utilisées lors des missions spatiales Apollo.
En 1970, l'électrochimiste invente le terme d'« économie hydrogène » ; il publiera plus tard Energy: The Solar-Hydrogen Alternative (Énergie, l'alternative hydro-solaire)., qui décrit sa vision d'une économie où les villes américaines serait alimentées par l'énergie solaire via l'hydrogène qui compenserait son caractère intermittent.
En 1990, la première centrale de production d'hydrogène à partir d'énergie solaire est mise en service en Bavière (Solar-Wasserstoff-Bayern).
En 2002, Jeremy Rifkin publie un livre intitulé L'économie hydrogène - Après la fin du pétrole, la nouvelle révolution économiqueL'Économie hydrogène - Après la fin du pétrole, la nouvelle révolution économique, Éditions La Découverte, 2002. et l'évoque à nouveau dans son livre de 2011 sur la troisième révolution industrielle..
Des découvertes d'hydrogène naturel dans des environnements géologiques continentaux et côtiers ont été faites ces dernières années, comme à Bourakébougou au Mali en 2018, et ouvrent la voie à l'exploration de cette ressource pour soutenir les efforts de la transition énergétique..
Production à grande échelle
centré|vignette|redresse=3|Les couleurs de l'hydrogène schématisent l'empreinte carbone du dihydrogène produit, dans un objectif de décarbonation.
La production d'hydrogène est évaluée en 2021 à , dont l'essentiel pour le raffinage (élimination du soufre) et la production d'ammoniac ; cette production provient pour 62 % du gaz naturel, 18 % du pétrole, 19 % du charbon, 0,7 % d'une énergie fossile avec captage et valorisation du et 0,04 % de l'électrolyse de l'eau..
L'hydrogène est produit en usine par deux procédés principalement :
à partir d'hydrocarbures ou de charbon. C'est actuellement la solution la plus courante et la plus économique, offrant la meilleure efficacité énergétique mais son coût dépend de celui des produits pétroliers. Néanmoins, cette solution ne fait que reporter le problème de la consommation d'énergies fossiles. Ce procédé représentait 96 % de la production mondiale en 2006.. On parle alors d'« hydrogène gris » ; lorsque le émis par ce procédé est capté puis réutilisé ou stocké, on parle d'« hydrogène bleu ». La technologie du captage et du stockage de carbone est au point mais son utilisation reste balbutianteTout savoir sur l'hydrogène en quatre questions, Les Échos, 9 juillet 2020. ; par électrolyse de l'eau. Exempte de rejets de gaz à effet de serre, avec mais bien plus onéreuse et consommant de l'électricité. Si cette électricité est verte (produite à partir d'énergie renouvelable), on parle d'« hydrogène vert ». Si l'électricité est décarbonée (énergie renouvelable ou nucléaire) le système est présenté comme « propre » ou vertueux du point de vue climatique, « du puits à la roue ».
Le coût de production de l'« hydrogène vert » est estimé en 2020 à contre pour l'« hydrogène bleu » et pour l'« hydrogène gris », mais le Conseil de l'hydrogène, qui rassemble les grands industriels du secteur, estime qu'on peut réduire le coût de l'hydrogène « vert » de plus de moitié d'ici à 2030 à condition de déployer les électrolyseurs de façon massive () pour faire baisser leur coût et de faire baisser significativement le prix de l'électricité renouvelable grâce au développement de l'éolien en mer. Même dans ce scénario, beaucoup estiment que l'hydrogène ne pourra pas vraiment décoller sans une taxe sur le carbone. Cependant, le prix de l'hydrogène gris est lié directement au cours du gaz naturel, qui a fortement augmenté en 2021 à la suite du redémarrage de l'économie après la pandémie de Covid-19, faisant monter le coût de production de l'hydrogène gris à , au moins temporairement, face à un hydrogène vert à ..
D'autres méthodes de production sont à l'étude comme : la production biologique d'hydrogène par des algues. Selon Anastasios Melis de l'université de Berkeley, une ferme d'algues de la taille du Texas produirait assez d'hydrogène pour pourvoir aux besoins mondiaux. Environ carrés suffisent pour remplacer l'utilisation d'essence aux États-Unis (moins du dixième de la surface utilisée pour la culture de soja dans ce pays). ; un hydrogène «turquoise» pourrait un jour provenir d'un craquage thermique transformant le gaz naturel en hydrogène et en carbone solide (graphite, actuellement classé matière première critique par l’UE). Cette solution peut être mise en œuvre dans l'industrie métallurgie, via la pyrolyse en présence de métal fondu, elle est explorée par Gazprom et BASF ; des réacteurs nucléaires à très haute température sont également envisagés.
Usages de l'hydrogène
Industrie L'hydrogène est actuellement utilisé majoritairement dans l'industrie chimique (production d'ammoniac et de méthanol) et pétrochimique (raffinage du pétrole), ainsi que, en quantités moindres, pour la fabrication de graisses végétales..
Des essais sont en cours pour utiliser de l'hydrogène en remplacement du charbon pour la réduction du minerai de fer, étape initiale de la production d'acier..
De même, des essais sont en cours pour utiliser de l'hydrogène dans la production du verre. Il est à noter que l'hydrogène s'utilise déjà dans la production de verre plats afin de générer une atmosphère protectrice. Cependant, des projets visent à brûler de l'hydrogène pour l'apport en chaleur nécessaire à la fonte du verre, avec des résultats prometteurs mais encore mitigés..
Transport
vignette|Véhicule à hydrogène. Dans le secteur du transport, des véhicules à hydrogène peuvent être utilisés en complément de véhicules à batteries. Du fait d'une moindre autonomie, les moteurs à batteries sont plus adaptés pour des véhicules légers, tandis que l'hydrogène semble plus destiné au transport lourd longue distance. Pour le transport maritime et aérien, la faible densité de l'hydrogène fait que des dérivés comme l'ammoniac ou des combustible synthétiques pourraient être préférés..
L'utilisation de l'hydrogène pour le transport nécessiterait des infrastructures importantes, dont les stations services et pour véhicules électriques, ainsi que pour produire, stocker et transporter l'hydrogène sur des distances à l'échelle d'un pays. Il s'agit d'un effort comparable au développement des filières de distribution du pétrole, qui a demandé plusieurs dizaines d'années. Le coût du déploiement d'un système complet de distribution pourrait demander de de dollars pour les seuls États-UnisEstimation de General Motors, citée par P. Laffitte et C. Saunier, Les apports de la science et de la technologie au développement durable, rapport réalisé pour l'Office parlementaire d'évaluation des choix scientifiques et technologiques.. Ce frein économique implique que le passage à l'hydrogène ne peut résulter que d'un choix généralisé, et nécessite aussi l'aplanissement des difficultés existantes.
En , Volvo et Daimler, avec des géants de la logistique tels que Deutsche Post DHL et Schenker déclarent que pour eux, l'avenir du fret poids-lourd est localement électrique pour les trajets courts et hybride (électrique + hydrogène) pour les longs trajets.
En 2022, l'Allemagne lance une flotte de trains 100% à hydrogène, une première mondiale..
Production d'électricité L'hydrogène vert peut être ré-électrifié en fonction de la demande, offrant une source d'énergie renouvelable dégagée des problèmes d'intermittence de production. Le consortium européen Hyflexpower, composé d'une dizaine d'industriels, centres de recherche et universités menés par Engie et Siemens, a démontré la faisabilité de cette solution en 2023 en convertissant une turbine à gaz de pour l'alimenter à 100 % avec de l'hydrogène renouvelable. Ce programme de recherche et développement était financé à 70 % par des aides communautaires H2020. Une deuxième étape est en projet pour tester la cogénération de chaleur industrielle et de vapeurPremière mondiale dans l'hydrogène vert industriel, Les Échos, 20 novembre 2023..
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