L'hydrogène vert clair fera l'affaire
En bref
- Des scientifiques de l'Université des sciences et technologies de Hong Kong et de l'ETH Zurich montrent comment l'hydrogène produit à partir d'électricité durable peut être très bénéfique pour le climat dans la production d'ammoniac et d'engrais artificiels.
- Une telle réorganisation de l'industrie de l'ammoniac nécessiterait de grandes surfaces de terrain pour les parcs solaires et éoliens.
- Il est déjà possible d'obtenir un impact important en se concentrant principalement, mais pas exclusivement, sur l'énergie renouvelable. En l'absence de soleil ou de vent, l'électricité produite à partir de combustibles fossiles pourrait être utilisée comme solution de repli.
L'hydrogène produit de manière durable a un rôle à jouer dans la transition énergétique, et pas seulement comme moyen de stockage de l'énergie ou comme carburant pour les camions. Dans l'industrie, il pourrait être utilisé partout où l'hydrogène est déjà nécessaire aujourd'hui : par exemple, dans la production d'ammoniac. Dans le monde, 180 millions de tonnes d'ammoniac sont produites chaque année, principalement pour l'industrie des engrais. L'hydrogène nécessaire est actuellement obtenu à partir du gaz naturel, ce qui entraîne des émissions élevées de gaz à effet de serre et une dépendance à l'égard des pays exportateurs de gaz. L'utilisation de l'hydrogène vert comme alternative propre permettrait au monde de se rapprocher des objectifs climatiques et de réduire la dépendance. L'hydrogène vert est produit à partir d'électricité durable par le biais d'un processus appelé électrolyse.
Dans une étude portant sur l'industrie européenne de l'ammoniac, des scientifiques de l'Université des sciences et technologies de Hong Kong (HKUST) et de l'ETH Zurich ont calculé les conditions dans lesquelles il serait intéressant de passer de la production d'ammoniac à celle d'hydrogène vert ou presque vert.
Déjà économiquement viable en Espagne et en Norvège
Deux résultats ressortent. Premièrement, dans certains pays européens comme la Norvège, l'Espagne, la Hongrie ou la Pologne, la production d'ammoniac à partir d'hydrogène vert ou presque vert serait déjà rentable aujourd'hui. Dans ces pays, la production d'électricité durable à partir de l'énergie solaire ou éolienne est particulièrement rentable. Cela est dû aux conditions géographiques favorables de ces pays, ainsi qu'aux subventions publiques ou aux coûts généralement bas de l'électricité. Cela signifie qu'en l'absence de soleil ou de vent, la production d'hydrogène pourrait se rabattre sur l'électricité bon marché du réseau. Par conséquent, les producteurs de la région pourraient se passer de solutions de stockage coûteuses pour l'électricité durable.
Deuxièmement, même si l'électricité n'est pas totalement exempte d'énergie fossile, elle aura tout de même un impact positif sur le climat. Selon l'étude, la production d'hydrogène par électrolyse se justifie même si une partie de l'électricité utilisée ne provient pas de sources renouvelables. Les producteurs ont ainsi la possibilité de passer à l'électricité du réseau, dont une partie provient de sources fossiles, lorsque le soleil ou le vent se font rares.
Un kilogramme de CO2 serait suffisant pour le climat
L'auteur principal de l'étude est Stefano Mingolla, étudiant en doctorat à la HKUST. Il a travaillé pendant six mois dans le groupe dirigé par Giovanni Sansavini, professeur au département d'ingénierie mécanique et des procédés de l'ETH Zurich. «Si vous utilisez de l'hydrogène presque vert pour produire de l'ammoniac, vous pouvez réaliser beaucoup de choses très rapidement - c'est un fruit à portée de main», explique Giovanni Sansavini. «Contrairement à d'autres applications, où l'hydrogène sert uniquement à stocker l'énergie et nécessite une conversion d'une forme d'énergie à une autre, la production d'ammoniac utilise l'hydrogène comme source d'énergie. Dans la production d'ammoniac, l'hydrogène est utilisé directement comme matière première, ce qui élimine le besoin de conversions inefficaces.»
Les calculs de Stefano Mingolla et de ses collègues montrent que les émissions de gaz à effet de serre liées à la production d'ammoniac pourraient être réduites de 95% par rapport à aujourd'hui si l'hydrogène utilisé était produit de manière à ne pas rejeter plus d'un kilogramme de CO2 par kilogramme d'hydrogène. L'électricité nécessaire à cette fin devrait être nettement plus verte que le mix actuel en Allemagne, en Pologne et aux Pays-Bas. Ces trois pays sont les plus grands producteurs d'ammoniac en Europe. À titre de comparaison, un kilogramme d'hydrogène produit à partir du mix électrique suisse entraînerait des émissions de 1,7 kilogramme de CO2; le chiffre obtenu à partir du mix électrique actuel en Allemagne serait de 18 kilogrammes de CO2, aux Pays-Bas de 16 kilogrammes et en Pologne de 33 kilogrammes.
La décarbonisation complète de la production d'hydrogène, et non seulement de 95%, serait d'un coût prohibitif. Les derniers 5% de décarbonisation sont les plus complexes et les plus coûteux ; ils doubleraient presque le prix total. «Il est important d'ajuster les ambitions en conséquence», explique Giovanni Sansavini. «Il serait contre-productif de viser une décarbonisation complète, car les coûts excessifs pourraient ralentir la transition énergétique.»
Nouveaux parcs solaires et éoliens pour la production d'hydrogène
Toutefois, Giovanni Sansavini souligne que l'hydrogène ne sera pas produit à grande échelle en utilisant l'électricité du réseau car, dans de nombreux cas, la production locale d'électricité et la capacité de transmission transfrontalière du réseau sont inadéquates.
Il est plus probable que de nouveaux parcs solaires ou éoliens soient construits directement à côté des usines d'ammoniac existantes. Toutefois, cela nécessite de vastes superficies de terrain. Comme le montre l'étude, plus une région donnée bénéficie de conditions géographiques favorables à la production d'électricité à partir de l'énergie solaire ou éolienne, moins elle a besoin de terres. Le sud de l'Europe et les régions situées le long de la côte atlantique ont un avantage à cet égard. «La quantité de terres nécessaires étant très importante, nous devons avant tout penser à une utilisation combinée des terres - par exemple, un parc éolien ou solaire où l'on peut pratiquer l'agriculture en même temps», explique Giovanni Sansavini.
L'hydrogène vert pourrait déjà être compétitif en Norvège, en Espagne, en Hongrie et en Pologne, mais en moyenne, dans toute l'Europe, sa production est nettement plus coûteuse que l'extraction de l'hydrogène à partir du gaz naturel. «Pour que l'hydrogène vert devienne compétitif partout, des investissements supplémentaires dans la recherche et le développement sont nécessaires, de même que des incitations économiques», ajoute Giovanni Sansavini. La définition exacte de l'hydrogène vert fait également l'objet de discussions au sein de l'UE. «Nous devons trouver un équilibre entre les coûts et l'impact sur l'environnement. Toute définition devrait permettre à l'hydrogène vert de contenir une certaine quantité d'énergie fossile résiduelle», explique Giovanni Sansavini. En se basant sur l'exemple de la production d'ammoniac, l'équipe de recherche a calculé une recommandation pour cette proportion résiduelle : jusqu'à un kilogramme d'émissions de CO2 par kilogramme d'hydrogène serait acceptable et raisonnable.
