Production d’hydrogène vert par électrolyse de l’eau

L’hydrogène est considéré comme un atout majeur de la transition énergétique. En termes d’énergie il possède un pouvoir calorifique inférieur (PCI) presque trois fois supérieur à celui de l’essence et permet de stocker massivement de l'énergie sur de longues périodes de temps. Il peut être alors utilisé pour de multiples besoins tels que les processus industriels, la production de chaleur ou encore pour des applications à caractère énergétique, mobiles ou stationnaires, au moyen de piles à combustible ou par combustion directe.

L’hydrogène apparaît donc comme une très bonne alternative aux énergies fossiles cependant, avant cela il doit être produit de manière durable, c’est-à-dire au moyen de procédés verts et surtout à coût « raisonnable », c’est-à-dire concurrentiel au marché actuel des énergies fossiles. Cette problématique technico-économique inhérente à la production et à l’utilisation de l’hydrogène est d’ailleurs au cœur du plan de relance Hydrogène français et fait partie intégrante du Programme et Équipement Prioritaire de Recherche (PEPR-H2) hydrogène décarboné programmé sur la décennie 2020-2030.

Malgré tout cela, la production de l’hydrogène est encore, pour des raisons économiques, majoritairement issue du vaporeformage d’énergie fossile qui conduit à la production de 10 kg de dioxyde de carbone pour 1 kg d’hydrogène produit. Cette technique de vaporeformage, même si elle est la plus rentable, conduit alors à de l’hydrogène gris dit carboné qui au mieux peut devenir bleu après décarbonation. Il faut donc trouver une alternative permettant de produire de l’hydrogène vert à coût concurrentiel à celui de l’hydrogène gris et, parmi les technologies possibles, l’électrolyse apparaît comme une alternative prometteuse. Cette technique est très intéressante dans la mesure où son empreinte carbone est nulle lorsque l’électricité injectée dans l’électrolyseur est non carbonée. Différentes technologies d’électrolyseur, se distinguant par leur électrolyte et leur température de fonctionnement, sont alors disponibles, à des degrés TRL (Technology Readiness Level) divers. Toutefois, des progrès en recherche fondamentale sont encore nécessaires afin de mieux comprendre le potentiel de cette technique et d’envisager son développement pour de la production de masse.

Dans cet article, les différentes techniques d’électrolyse à basse température (alcaline et à membrane échangeuse de protons (PEM)) et à haute température (HT) sont présentées. Leurs performances et leurs conditions opératoires sont comparées dans le cadre d’une approche système et les verrous technico-économiques sont alors mis en avant.