De vastes régions du Canada sont idéales pour la future production d’hydrogène, selon une analyse mondiale

Des chercheurs de l’Institut Paul Scherrer PSI ont analysé quelles régions du monde pourraient produire de l’hydrogène de la manière la plus rentable afin de construire une économie basée sur ce vecteur énergétique alternatif plutôt que sur des alternatives basées sur les combustibles fossiles.

L’une de leurs conclusions est que le simple remplacement des combustibles fossiles par l’électricité et l’hydrogène ne suffira pas à mettre fin aux émissions de gaz à effet de serre. L’étude est publiée dans la revue Nature Communications.

La Suisse a pour objectif de devenir neutre pour le climat d’ici 2050. Cela signifie qu’à partir de cette année, aucun gaz à effet de serre supplémentaire ne doit être rejeté dans l’atmosphère afin de ralentir le changement climatique. L’électrification des transports, de l’industrie et des ménages, ainsi que le passage à des sources d’électricité renouvelables telles que l’énergie hydraulique, éolienne et solaire, sont des éléments clés pour atteindre cet objectif.

L’électricité ne peut toutefois pas être utilisée partout comme source d’énergie : sa densité de stockage est insuffisante pour certaines applications. Pour répondre à des besoins plus importants, l’hydrogène doit prendre le relais. L’aviation, l’agriculture et la sidérurgie, par exemple, représentent des applications qui pourraient réduire considérablement leur impact sur le climat grâce à l’hydrogène, parfois converti pour produire des engrais ou des hydrocarbures synthétiques.

Les chercheurs, dirigés par l’auteur principal Tom Terlouw et le chef de projet Christian Bauer du Laboratoire d’analyse des systèmes énergétiques du PSI, ont collecté des données géographiques et économiques ainsi que des prévisions pour décrire le développement d’une économie de l’hydrogène dans quatre scénarios différents.

Selon les scénarios, la demande d’hydrogène devrait se situer entre 111 et 614 mégatonnes par an en 2050. Dans le premier scénario, le monde continue à fonctionner comme d’habitude et dépend toujours des combustibles fossiles. Dans le quatrième scénario, le plus optimiste, le monde adopte des mesures rigoureuses de protection du climat et parvient à atteindre l’objectif de 1,5 degré. À l’heure actuelle, environ 90 mégatonnes d’hydrogène sont produites chaque année dans le monde.

Où y a-t-il suffisamment d’espace pour l’électrolyse ?

L’hydrogène peut être produit par différents procédés. Le reformage du méthane à la vapeur, dans lequel l’élément est extrait du gaz naturel, du pétrole ou du charbon (c’est-à-dire des combustibles fossiles) dans des conditions de pression et de température élevées, est actuellement la méthode dominante. Les scénarios les plus optimistes supposent que les électrolyseurs PEM seront de plus en plus utilisés.

Ces appareils utilisent l’électricité et une membrane électrolytique polymère pour séparer l’eau en hydrogène et en oxygène. Si seule l’électricité verte provenant de sources renouvelables est utilisée, le processus peut fonctionner sans combustibles fossiles. Il produit jusqu’à 90 % de gaz à effet de serre de moins que le reformage du méthane à la vapeur.

La question centrale était cependant de savoir dans quelles régions du monde l’hydrogène devait être produit à l’aide de cette technologie. « Nous avons principalement appliqué des critères économiques », explique Terlouw, « autrement dit, nous avons examiné où la production serait la moins chère. »

Deux facteurs se sont révélés déterminants : où peut-on répondre de la manière la plus efficace à l’énorme demande d’électricité verte nécessaire à l’électrolyse, grâce à l’abondance de sources d’énergie alternatives, comme l’éolien et le solaire ? Et où existe-t-il suffisamment de terres propices à la construction des installations de production nécessaires ?

Le Canada est idéal, la Suisse moins

Une grande partie du Canada, par exemple, s’avère être l’une des régions les plus propices à la production d’hydrogène. « Il y a de nombreux espaces ouverts, très exposés au vent et donc idéaux pour l’installation d’éoliennes », explique Terlouw.

« De plus, il y a beaucoup d’eau et la situation politique est stable – même si nous n’avons pas pris ces deux critères en compte dans notre étude. Mais bien sûr, la disponibilité de l’eau pour l’électrolyse joue également un rôle, tout comme la question de savoir si le pays concerné est un pays d’où l’hydrogène peut être importé de manière fiable. »

Outre ces critères, le centre des États-Unis offre également de bonnes conditions, tout comme certaines régions d’Australie, du Sahara, du nord de la Chine et du nord-ouest de l’Europe. Soit parce qu’il y a suffisamment de soleil pour produire de l’énergie solaire, soit parce qu’il y a beaucoup de vent et d’espaces ouverts pour construire des éoliennes et des usines à hydrogène.

Les pays industrialisés d’Europe centrale, comme la Suisse ou l’Allemagne, sont moins adaptés à la production d’hydrogène, car il n’y a pratiquement pas de terres disponibles pour les éoliennes et le rayonnement solaire y est relativement faible. D’autres régions et pays densément peuplés, comme le Japon ou les vastes zones côtières des États-Unis et de la Chine, ne pourraient produire de l’hydrogène qu’à un coût relativement élevé.

« Nous avons identifié une certaine disparité entre les régions ayant une forte demande en hydrogène et les régions ayant une grande capacité à le produire efficacement », conclut Terlouw.

Une économie de l’hydrogène devrait surmonter cette disparité grâce au commerce mondial, mais cela nécessite une énergie supplémentaire et une coopération politique. En fin de compte, les besoins énergétiques sont dus au fait que l’hydrogène est généralement transporté sous forme de composé, par exemple sous forme d’ammoniac ou de méthanol. Le volume du gaz pur est beaucoup trop important, tandis que la forme liquide, beaucoup plus compacte, nécessite un refroidissement massif.

Les inconvénients écologiques de l’hydrogène vert

L’étude s’intéresse également aux autres effets secondaires environnementaux d’une éventuelle économie de l’hydrogène, souvent ignorés par le public. « Tout d’abord, il est important de souligner que même une économie de l’hydrogène fonctionnelle continuera à produire des émissions résiduelles de gaz à effet de serre », explique Terlouw.

L’étude évalue ces émissions résiduelles à près d’une gigatonne de CO₂ équivalents carbone par an. Les émissions totales s’élèvent actuellement à environ 40 gigatonnes. « Il ne sera pas possible de réduire l’impact climatique à zéro », confirme Bauer.

Cela est principalement dû au fait que la production et la distribution d’hydrogène sont elles-mêmes associées à des émissions.

D’une part, on estime que 2,5 % de l’hydrogène est libéré dans l’atmosphère par des fuites, l’hydrogène lui-même agissant indirectement comme gaz à effet de serre en favorisant la formation de puissants gaz à effet de serre tels que le méthane et l’ozone.

D’autre part, les systèmes d’électrolyse présentent ce que l’on appelle des émissions incorporées, qui se produisent lors de la production et du transport des matériaux nécessaires, même si les systèmes finaux fonctionnent à l’électricité verte.

« De nombreux systèmes et machines utilisés dans une économie de l’hydrogène sont fabriqués dans des pays où, dans un avenir proche, leur production dépendra en grande partie des combustibles fossiles », explique Terlouw. « La plupart des panneaux solaires viennent aujourd’hui de Chine, où l’essentiel de l’électricité est encore produit par des centrales à charbon. »

Toute personne qui souhaite réellement devenir neutre pour le climat doit compenser ces émissions résiduelles en captant et en éliminant des quantités équivalentes de dioxyde de carbone de l’atmosphère. Des technologies telles que la capture directe dans l’air, dans laquelle un équipement spécial élimine le CO₂ On pourrait aussi utiliser à cette fin le carbone présent dans l’air. Ou encore la reforestation, où la plantation d’arbres supplémentaires permet de capter certaines quantités de carbone présent dans l’air.

Matériaux critiques

Selon Terlouw et Bauer, outre l’impact sur le climat, l’économie de l’hydrogène ne doit pas être oubliée. Les machines et les systèmes utilisent en effet toute une série de matériaux qui sont soit nocifs pour l’environnement, soit dont la production est néfaste pour l’environnement.

Les éoliennes, par exemple, contiennent des aimants permanents à base de terres rares dont l’extraction en Chine ne respecte pas les normes environnementales européennes. Le catalyseur utilisé dans l’électrolyse PEM est l’iridium, un métal considéré comme problématique simplement parce qu’il est très rare. Et les grandes quantités de terres et d’eau nécessaires à la production d’hydrogène pourraient également constituer un facteur environnemental négatif.

« Enfin, il y a la grande question de l’acceptation sociale », souligne Terlouw. « Les gens accepteront-ils que des paysages côtiers soient occupés par de grandes centrales de production d’hydrogène, par exemple ? » Dans les régions pauvres en eau, l’eau de mer devrait d’abord être dessalée avant d’être électrolysée, ce qui nécessite de l’énergie et des terres supplémentaires.

« Dans l’étude actuelle, nous n’avons pas encore pris en compte ces facteurs », admet Bauer. « D’autres études doivent suivre. Nous voulons montrer les possibilités de réaliser la transition énergétique. La question de savoir si nous allons les poursuivre et avec quelle rigueur est en fin de compte une question sociopolitique. »