La production industrielle d’hydrogène vert a besoin de nouveaux matériaux

Le plan France 2030 a consacré la stratégie française et européenne visant à faire des technologies hydrogène un pivot de la transition énergétique, tant sur le volet de la production que du stockage. 

En effet, les usages de l’hydrogène sont nombreux : production de chaleur, carburant, vecteur énergétique pour produire de l’électricité… mais pour le secteur de la chimie : raffinage d’hydrocarbures, production d’engrais, production de gaz de synthèse. Si l’on s’en fie aux objectifs français, d’ici 2030, la France doit devenir leader sur le volet de la production et le stockage d’hydrogène vert, notamment via la construction d’au moins deux gigafactories d’électrolyseurs, qui permettront à l’hexagone de produire massivement la molécule hydrogène, de façon décarbonée.

Au niveau européen, le PIIEC (projet important d’intérêt européen commun) consacré à l’hydrogène a permis à 41 projets, portés par 15 Etats, d’être retenus pour être subventionnés et développés. Parmi eux, 10 projets sont français, et profiteront d’une partie des quelque 5 milliards d’euros débloqués par l’UE sur ce thème.

Les projets couronnés vont permettre, dans les années qui viennent, de voir émerger sur le territoire national une véritable industrie de production d’hydrogène décarboné, à travers la construction de : 

• quatre gigafactories d’électrolyseurs ;
• sites de production de réservoirs à hydrogène ;
• piles à combustibles pour la mobilité durable ; 
• trains et véhicules utilitaires à hydrogène ;
• matériaux nécessaires à la production de ces équipements.

Côté production, aujourd’hui il existe deux solutions pour obtenir de l’hydrogène : le vaporeformage et l’électrolyse. Le vaporeformage du méthane permet d’obtenir de l’hydrogène. Il s’agit aujourd’hui de la méthode la plus utilisée au niveau mondial, car c’est la plus économique. Au niveau chimique, le vaporeformage dégage 12 tonnes de CO2 par tonne d’hydrogène produite. Écologiquement parlant, cette technique est donc polluante. Des projets de séparation des gaz, afin de pouvoir séquestrer le CO2 et améliorer le bilan environnemental de cette méthode de production ont été et sont toujours développés, mais les coûts associés à ces démarches sont très élevés, laissant planer le doute sur la possibilité de les développer à grande échelle.

La seconde méthode pour produire de l’hydrogène est l’électrolyse de l’eau, qui consiste à séparer l’oxygène et le dihydrogène grâce à un courant électrique. Cette méthode est aujourd’hui encore peu employée, et l’électricité nécessaire à l’électrolyse doit être d’origine renouvelable pour présenter un bilan écologique compatible avec les ambitions tricolores en matière énergétique. L’électrolyse présente pour les industriels un potentiel important, et les méthodes pour la coupler avec une solution technique à base d’électricité renouvelable se multiplient. En effet, la production d’hydrogène par électrolyse peut être alimentée par des énergies éoliennes, solaires, voire nucléaires. Ces technologies permettent d’obtenir de l’hydrogène décarboné.

L’innovation technologique nécessaire pour développer une électrolyse « verte » de l’eau passe nécessairement par l’utilisation d’une électricité renouvelable. Mais le développement de nouveaux matériaux doit aussi permettre d’améliorer le rendement de ces technologies, et leur potentiel d’industrialisation.

Ainsi, aujourd’hui, des matériaux innovants sont testés, pour améliorer le rendement des électrolyseurs,et pour faciliter le couplage de l’électrolyse à une source renouvelable.

Des chercheurs de l’Institut de Physique de Rennes développent par exemple un matériau semiconducteur/métallique, qui permet à ces cellules solaires de produire directement de l’hydrogène par électrolyse, à faible coût. 

Côté électrolyse, il s’agit de mettre au point des matériaux capables d’améliorer le rendement de la réaction, à un coût modéré. Des chercheurs de l’Université de Varsovie ont développé une solution à base de disulfure d’ammonium, qui permet de mettre au point des électrolyseurs sans utiliser de platine, un matériau rare et extrêmement cher.

Si le développement et la recherche permettent de mettre au point de nouveaux matériaux performants améliorant la chaîne de production d’hydrogène décarboné, il est nécessaire que ces derniers s’inscrivent dans un processus d’industrialisation, en étant abondants et peu chers à produire. Pour espérer constituer le futur socle de la filière hydrogène tricolore.