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L'hydrogène, moteur de la mobilité de demain

Et si l'hydrogène était appelé à jouer un rôle majeur dans la transition énergétique, notamment comme solution complémentaire à la batterie ? Des technologies matures existent pour la produire, la stocker et la distribuer. La volonté politique de développer cette filière est réelle et des grands de l'industrie s'engagent. Un marché qui intéresse la mécanique au premier chef. Un article en collaboration avec Bertrand Bello, Cetim.

UN POUVOIR CALORIFIQUE TROIS FOIS SUPÉRIEUR À CELUI DU GAZ NATUREL

L'hydrogène est le gaz le plus abondant dans l'univers, le plus léger, à faible densité et diffusion rapide. Son pouvoir calorifique de 120 MJ/kg est trois fois plus important que celui du gaz naturel.

Ses limites : il n'existe que sous forme atomique dans l'eau ou les hydrocarbures et présente un fort risque d'inflammabilité dans l'air dès que sa teneur est supérieure à 4 %.

UN RÔLE MAJEUR DANS LA TRANSITION ÉNERGÉTIQUE

Aujourd'hui, 60 millions de tonnes d'hydrogène sont fabriquées chaque année dans le monde, 900 000 tonnes en France, essentiellement pour des procédés industriels : désulfurisation des carburants pétroliers (65 %), synthèse d'ammoniac pour les engrais (25 %) et la chimie (10 %).

Mais l'énergie et la mobilité constituent deux nouveaux marchés appelés à croître dans les années à venir. L'hydrogène peut jouer un ràle majeur dans la transition énergétique. D'abord parce qu'il favorise le développement des énergies renouvelables dans la production d'électricité (intégration à grande échelle des énergies renouvelables, distribution dans tous les secteurs et sur tous les territoires, stockage). Ensuite parce qu'il permet de décarboner les usages énergétiques finaux (transports, industries, logement et tertiaire, etc.)

DES TECHNOLOGIES MATURES

Il existe aujourd'hui deux technologies phares de production :

  • le vaporeformage qui permet d'extraire de l'hydrogène du gaz naturel avec de la vapeur d'eau. Technologie la moins coûteuse, elle est utilisée pour produire 95 % de l'H2 dans le monde.
  • l'électrolyse de l’eau qui consiste à dissocier de l’eau en hydrogène et oxygène à l’aide d’électricité (H2O = H2 + 1/2 O2).

Deux autres méthodes plus marginales existent : la gazéification de biomasse et les solutions expérimentales à base de bactéries et de micro-algues.

Le stockage se fait soit par pressurisation jusqu'à 700 bars, soit par cryogénie à -253°C. Deux autres solutions sont en cours de développement :

  • le stockage dans des solides, par exemple des hydrures métalliques (niveau démonstrateur) ;
    le stockage dans des nanostructures de carbone (recherches fondamentales).

Quant à la distribution, elle ressemble à une station-service classique. L’hydrogène est délivré via une pompe. Il faut environ 5 minutes pour charger une voiture hydrogène pour une autonomie supérieure à 500 km. La station com- prend un compresseur d’hydrogène et un stockage sous haute pression.

La conversion de l'hydrogène en énergie s'effectue soit par réaction inverse de l'électrolyse dans une pile à combustible, soit par combustion directe dans des moteurs ou turbines adaptées.

UNE SOLUTION COMPLÉMENTAIRE À LA BATTERIE

Le marché actuel de la mobilité et de l'énergie est estimé à 1,4 milliard d'euros avec un taux de croissance supérieur à 25 % d'ici 2025, selon l'Afhypac (Association française pour l'hydrogène et les piles à combustible). La Chine ambitionne de disposer d'un million de véhicules à hydrogène en 2030.

L'hydrogène constitue une solution complémentaire à la batterie pour la décarbonation et le stockage de l'énergie du fait :

  • de ses émissions de CO2 faibles ;
  • de sa capacité de stockage plus importante que celle des batteries ;
  • d'une vitesse de remplissage élevée du réservoir ;
  • d'un fort potentiel pour les véhicules lourds.

De nombreuses technologies seront bientôt prêtes à être déployées à grande échelle pour les bus, les fourgonnettes et les chariots élévateurs.

Reste à lever quelques freins, notamment le coût des piles à combustible et les réticences sociétales face au risque d'explosion, pourtant faible.

Et si l'hydrogène était appelé à jouer un rôle majeur dans la transition énergétique, notamment comme solution complémentaire à la batterie ? Des technologies matures existent pour la produire, la stocker et la distribuer. La volonté politique de développer cette filière est réelle et des grands de l'industrie s'engagent. Un marché qui intéresse la mécanique au premier chef. Un article en collaboration avec Bertrand Bello, Cetim.

UN POUVOIR CALORIFIQUE TROIS FOIS SUPÉRIEUR À CELUI DU GAZ NATUREL

L'hydrogène est le gaz le plus abondant dans l'univers, le plus léger, à faible densité et diffusion rapide. Son pouvoir calorifique de 120 MJ/kg est trois fois plus important que celui du gaz naturel.

Ses limites : il n'existe que sous forme atomique dans l'eau ou les hydrocarbures et présente un fort risque d'inflammabilité dans l'air dès que sa teneur est supérieure à 4 %.

UN RÔLE MAJEUR DANS LA TRANSITION ÉNERGÉTIQUE

Aujourd'hui, 60 millions de tonnes d'hydrogène sont fabriquées chaque année dans le monde, 900 000 tonnes en France, essentiellement pour des procédés industriels : désulfurisation des carburants pétroliers (65 %), synthèse d'ammoniac pour les engrais (25 %) et la chimie (10 %).

Mais l'énergie et la mobilité constituent deux nouveaux marchés appelés à croître dans les années à venir. L'hydrogène peut jouer un ràle majeur dans la transition énergétique. D'abord parce qu'il favorise le développement des énergies renouvelables dans la production d'électricité (intégration à grande échelle des énergies renouvelables, distribution dans tous les secteurs et sur tous les territoires, stockage). Ensuite parce qu'il permet de décarboner les usages énergétiques finaux (transports, industries, logement et tertiaire, etc.)

DES TECHNOLOGIES MATURES

Il existe aujourd'hui deux technologies phares de production :

  • le vaporeformage qui permet d'extraire de l'hydrogène du gaz naturel avec de la vapeur d'eau. Technologie la moins coûteuse, elle est utilisée pour produire 95 % de l'H2 dans le monde.
  • l'électrolyse de l’eau qui consiste à dissocier de l’eau en hydrogène et oxygène à l’aide d’électricité (H2O = H2 + 1/2 O2).

Deux autres méthodes plus marginales existent : la gazéification de biomasse et les solutions expérimentales à base de bactéries et de micro-algues.

Le stockage se fait soit par pressurisation jusqu'à 700 bars, soit par cryogénie à -253°C. Deux autres solutions sont en cours de développement :

  • le stockage dans des solides, par exemple des hydrures métalliques (niveau démonstrateur) ;
    le stockage dans des nanostructures de carbone (recherches fondamentales).

Quant à la distribution, elle ressemble à une station-service classique. L’hydrogène est délivré via une pompe. Il faut environ 5 minutes pour charger une voiture hydrogène pour une autonomie supérieure à 500 km. La station com- prend un compresseur d’hydrogène et un stockage sous haute pression.

La conversion de l'hydrogène en énergie s'effectue soit par réaction inverse de l'électrolyse dans une pile à combustible, soit par combustion directe dans des moteurs ou turbines adaptées.

UNE SOLUTION COMPLÉMENTAIRE À LA BATTERIE

Le marché actuel de la mobilité et de l'énergie est estimé à 1,4 milliard d'euros avec un taux de croissance supérieur à 25 % d'ici 2025, selon l'Afhypac (Association française pour l'hydrogène et les piles à combustible). La Chine ambitionne de disposer d'un million de véhicules à hydrogène en 2030.

L'hydrogène constitue une solution complémentaire à la batterie pour la décarbonation et le stockage de l'énergie du fait :

  • de ses émissions de CO2 faibles ;
  • de sa capacité de stockage plus importante que celle des batteries ;
  • d'une vitesse de remplissage élevée du réservoir ;
  • d'un fort potentiel pour les véhicules lourds.

De nombreuses technologies seront bientôt prêtes à être déployées à grande échelle pour les bus, les fourgonnettes et les chariots élévateurs.

Reste à lever quelques freins, notamment le coût des piles à combustible et les réticences sociétales face au risque d'explosion, pourtant faible.

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LA MECANIQUE EN PREMIÈRE LIGNE

De l'amont à l'aval de la filière, toutes les entreprises de la mécanique sont concernées.

De nombreux composants mécaniques sont nécessaires :

  • réservoirs haute pression ;
  • compresseurs, turbines, détendeurs, échangeurs de chaleur ;
  • vannes, valves, vérins haute pression ;
  • tuyaux et raccords ;
  • ventilateurs, etc.

Le traitement de surface est également très sollicité pour régler les problèmes de corrosion, tout en maintenant la conductivité électrique. Les technologies de l'hydrogène réclament aussi des pièces techniques réalisées par les entreprises de mécanique de précision.

UNE VOLONTÉ POLITIQUE DE DÉVELOPPER LA FILIÈRE

D'ici 2023, 100 stations hydrogène devraient être déployées en France, pour accompagner la mise en circulation de 5 000 véhicules utilitaires légers et 200 poids-lourds, avec un investissement de 100 millions d'euros annuels pendant 5 ans. L’hydrogène est intégré dans le contrat national de filière « Nouveaux Systèmes énergétiques », signé le 29 mai 2019. L'un des axes du plan prévoit, outre le déploiement de solutions matures, de soutenir l’innovation dans des technologies d’avenir de production et de stockage d’hydrogène décarboné. Des industriels français tels qu’Air Liquide, EDF et Engie s’engagent à l'expérimenter.

À l'Assemblée Nationale, un groupe a été créé le 11 mars 2019 pour favoriser la mobilité zéro émission et accélérer la troisième révolution industrielle : énergies vertes et hydrogène.

DES INDUSTRIELS S'ENGAGENT

La filière s'organise autour de l'Afhypac qui regroupe des acteurs de l'énergie, des grandes entreprises, des PME et des start-up de différents secteurs (industrie, distribution, transports, etc.). Les grands groupes commencent à investir sur ce marché.

EDF a lancé sa filiale H2 Hynamics en avril 2019 pour produire de l'hydrogène par électrolyse et créer des stations-service, en partenariat avec McPhy Energy, spécialiste des solutions d’alimentation en hydrogène pour l’industrie et la mobilité.

Symbio, détenue à 50-50 par Michelin et Faurecia, développe une offre de mobilité complète pour les véhicules H2 (utilitaires, bus, poids lourds, bateaux), de la pile à hydrogène jusqu’aux services de maintenance pour le véhicule. De 150 unités par an, la production devrait s'élever à 200 000 véhicules en 2030, notamment grâce à la montée en puissance de la filière H2 en Asie.

Plastic Omnium se prépare à changer d’échelle en créant PO-CellTech, une entreprise commune avec un partenaire israélien expert dans les piles à combustible, qui acquiert des sociétés spécialisées dans les réservoirs H2 (Optimum CPV) et dans la gestion des systèmes à piles à combustible (Swiss H2). Le groupe a ouvert un centre de recherche dédié aux nouvelles énergies à Bruxelles et un centre de développement avec des installations d'essais à Wuhan en Chine.

Alstom développe des trains à hydrogène en substitution aux lignes diesel. Un Coradia iLint fonctionne dans le Land de Basse-Saxe. Le groupe a remporté un contrat de 360 millions d'euros pour livrer 27 trains H2 alimentés par des piles à combustible dans toute l’Europe pour la société Fahma, filiale de l’opérateur RMV (Rhein-Main-Verkhersverbund) à partir de 2022. La SNCF et de nombreux territoires français sont intéressés (Occitanie, Hauts- de-France, Grand-Est).

Air Liquide a lancé, avec Toyota, Idex et STEP (Société du Taxi électrique Parisien), Hysetco pour déployer des taxis H2 et l'environnement associé (stations, service client, etc.) Objectif : passer de 100 taxis roulant à l'hydrogène aujourd'hui à 600 fin 2020.
Le groupe veut développer le modèle dans d’autres villes à l’international et créer un « Airbus de l’hydrogène », via une coopération franco-allemande pour faire face à la concurrence asiatique.

FOCUS SUR QUATRE RéGIONS EN POINTE SUR L'HYDROGèNE

Dans les Hauts-de-France, l'hydrogène fait partie intégrante du programme « Troisième révolution industrielle » :

  • faire de l’autoroute A1 une infrastructure de mobilité durable en utilisant notamment l'hydrogène ;
    travailler avec l’industrie ferroviaire régionale sur un remplacement progressif des matériels par des rames H2 ;
    mettre en place une filière H2 pour le stockage des énergies renouvelables (photovoltaïque, énergies marines).

Au cours de l'été 2019, la région a lancé une ligne entre Bruay et Auchel avec six bus à hydrogène Businova de la société Safra (pile à combustible de Symbio) exploitée par le Syndicat mixte des trans- ports Artois-Gohelle (SMT).

Le Pàle énergie bénéficie du soutien financier de la Région Hauts-de-France, de la Communauté Urbaine Dunkerque Grand Littoral et de l'Ademe. Il aide au développement de la filière énergie des Hauts-de-France et accompagne les entreprises de la région. En 2020, il organisera "les journées hydrogène dans les territoires" dont l'objectif est de mettre en avant ce secteur, créer des synergies entre industriels et acteurs territoriaux, et favoriser les échanges.

En Auvergne-Rhône-Alpes, le projet Zero Emission Valley prévoit le déploiement de 20 stations hydrogène et d'une flotte de 1 000 véhicules sur le territoire, avec la création de Hympulsion Ad Hoc déte- nue à 33 % par la Région, Engie (22,8 %), Michelin (22,8 %), la Caisse des dépàts (16,9 %) et le Crédit Agricole (4,6 %). Un projet de 50 millions d'euros subventionné par l'Europe à hauteur de 10 millions d'euros.

L'Occitanie investit 150 millions d'euros sur dix ans, dans un plan régional pour déployer des solutions H2 à grande échelle.

La Normandie consacre plus de 20 millions d'euros sur les 5 prochaines années à la filière hydrogène.