Introduction
Les ventes d’électrolyseurs explosent actuellement. L’hydrogène est plébiscité par les gouvernements et par les marchés. D’un côté les autorités publiques en Europe s’engagent dans la création à moyen terme d’un vaste marché de l’hydrogène bas carbone. De l’autre les cours des actions des entreprises spécialisées dans l’économie hydrogène flambent en bourse. Les perspectives de développement sont particulièrement favorables en Europe et en Asie, où plusieurs gouvernements ont récemment révisé leurs ambitions de neutralité carbone à la hausse.
Dans cette ruée générale vers les parts de marché, la multiplication des rapports contribue aussi à accélérer le narratif pro-hydrogène. Accélération à la fois sur le message de la baisse du coût de l’hydrogène bas carbone, et sur celui des applications où l’hydrogène apporterait un avantage unique.
La plupart des projections s’appuient sur les solutions industrielles qui existent à l’heure actuelle. Elles ne prennent pas en compte des bonds technologiques éventuels (dans un futur plus ou moins proche) au niveau des différents maillons de l’économie hydrogène. C’est le cas en particulier pour le maillon des solutions de stockage, qui constituent aujourd’hui un facteur limitant en raison de leur coût élevé, à la fois sur les plans physique (efficience énergétique) et économique (coût monétaire). Le stockage constitue l’une des applications centrales envisagées pour l’hydrogène dans des systèmes énergétiques fortement basés sur des sources renouvelables, mais aussi pour l’hydrogène utilisé directement comme carburant (pour, par exemple, alimenter des turbines d’avions).
Cependant, des technologies alternatives de stockage de l’hydrogène sont à l’étude depuis de nombreuses décennies. Elles ont apporté des solutions pour certaines niches d’utilisation par le passé, mais sans jamais devenir viables à plus grande échelle. Est-il raisonnable de s’attendre à une rupture technologique dans le stockage, qui plus est une rupture capable de bousculer la zone de confort et de prévisibilité actuelle ? La réponse est oui, par la synergie entre deux lignes de développement jusqu’à présent distinctes dans leur évolution.
Stockage : le coût physique élevé des solutions industrielles existantes
L’hydrogène est le gaz le plus léger de l’univers. Il combine une densité énergétique massique élevée avec une densité énergétique volumique faible. Les infrastructures pétrochimiques existantes ne sont pas utilisables pour stocker de l’hydrogène. Les solutions utilisées aujourd’hui dans l’industrie reposent sur des processus de compression et/ou de refroidissement :
- Compression à 700 bar, opération qui réduit l’efficience énergétique de 13%. Il faut environ 4,6 litres d’hydrogène comprimé à 700 bars pour fournir la même énergie qu’un litre d’essence. Les véhicules lourds à hydrogène tels que les bus utilisent de l’hydrogène comprimé à seulement 350 bars.
- Refroidissement à −252,8 °C, opération qui réduit l’efficience énergétique de 40%.
Ces solutions de stockage exigent des réservoirs spéciaux, qui bénéficient d’améliorations incrémentales grâce aux efforts de R&D des grands fournisseurs d’hydrogène.
Innovation dans le stockage : les pistes conventionnelles
Deux méthodes de stockage exploitent des infrastructures existantes :
- Le réseau existant du gaz : il est possible d’injecter de l’hydrogène dans le réseau de gaz naturel, en quantités modérées (5%-15%, au-dessus l’hydrogène fragilise et détruit les tuyaux de gaz normaux) ;
- Les cavernes salines et autres réservoirs souterrains utilisés par l’industrie pétrochimique. La distribution des cavernes salines dans l’espace n’est pas uniforme, de nombreuses régions en sont dépourvues.
Les autres méthodes alternatives de stockage peuvent se diviser ainsi :
- Matériaux absorbants : plusieurs familles de matériaux poreux réalisent une adsorption d’hydrogène à leur surface et peuvent stocker de l’hydrogène ; exige une pression élevée ;
- Hydrures métalliques : certains métaux peuvent charger et décharger leurs interstices en hydrogène ;
- Hydrures chimiques : certains gaz ou liquides peuvent de même se charger et décharger en hydrogène. Au sein de cette classe, on trouve notamment l’ammoniac et les LOHC (liquid organic hydrogen carrier).
Toutes ces méthodes ont en commun des variations significatives de chaleur lors de la charge et de la décharge. La rapidité et le coût énergétique de ces deux processus est par ailleurs très variable.
Les hydrures métalliques trouvent des applications de niche mais entraînent une masse élevée de l’unité de stockage. Les recherches pour identifier une solution légère se poursuivent.
Le grand avantage des LOHC est d’être conçu pour pouvoir être stockés en utilisant les infrastructures de stockage pétrochimique existantes. De même, le stockage et le transport de l’ammoniac s’appuient sur des infrastructures déjà existantes. Selon Ben Schwegler, Fellow Presans, ce qui manque à ces approches prometteuses est un moyen pour réduire le coût énergétique de la charge et de la décharge.
Une synergie avec la biochimie pour un nouveau bond de performance
Comme le montre ce whitepaper de Presans, l’innovation de rupture tend à résulter de la rencontre d’univers de recherche évoluant d’abord de manière indépendante.
Cette condition est réalisée dans le cas de la rencontre entre la filière hydrogène et le monde de la biochimie. Parmi les technologies développées par cette dernière, on trouve des méthodes de biohydrogène par voie enzymatique de TRL 3 qui permettraient d’apporter une solution aux problèmes rencontrés par le stockage de l’hydrogène dans des hydrures chimiques.
“La biochimie constitue la voie royale pour affronter ces problèmes. En effet, l’hydrogène est essentiel pour tous les systèmes vivants, la nature ayant mis au point un ensemble élaboré de réactions pour contourner son manque de solubilité. Ces réactions sont toutes basées sur des enzymes biologiques et des « transporteurs d’hydrogène » biologiques. Le niveau de spécificité possible dans les réactions enzymatiques donne une valeur substantielle à l’hydrogène en tant que source d’équivalents réducteurs pour les réactions chimiques.” – Ben Schwegler, Fellow Presans
Conclusion
Quelles sont les entreprises qui possèdent la vision stratégique et le jugement industriel pour bousculer la zone de confort technique et de prévisibilité économique actuelle ? Qui ira rafler la mise du stockage à grande échelle de l’hydrogène ? Rendez-vous dans la Synergy Factory de Presans pour en savoir plus !
