L’hydrogène sauvera-t-il la planète ?
Pour éviter la catastrophe climatique, gouvernements et entreprises investissent des milliards de dollars dans l’hydrogène. Révolution en vue… ou utopie ?
Pour éviter la catastrophe climatique, gouvernements et entreprises investissent des milliards de dollars dans l’hydrogène, qui devra combler le quart de nos besoins énergétiques d’ici 2050, selon l’Agence internationale de l’énergie. Révolution en vue… ou utopie ?
SI CE N’ÉTAIT LA CIRCULATION SUR LE boulevard Raoul-Duchesne qui traverse le parc industriel de Bécancour, en face de l’usine d’Air Liquide, on pourrait se croire en plein couvre-feu en cet après-midi de printemps. Personne en vue, aucune odeur, quasiment aucun bruit. En écoutant le patron d’Air Liquide me raconter comment l’usine fonctionne, je pense à Cyrus Smith, l’ingénieur de L’île mystérieuse, roman de Jules Verne paru en 1875, expliquant au reporter Gédéon Spilett comment l’eau pourrait finir par remplacer le charbon comme source d’énergie. « Oui, mes amis, prédisait Cyrus Smith, je crois que l’eau sera un jour utilisée comme combustible, que l’hydrogène et l’oxygène qui la constituent fourniront une source de lumière et de chaleur inépuisables et d’une intensité que la houille ne saurait avoir… »
L’hydrogène, source inépuisable de lumière et de chaleur… C’est exactement ce à quoi travaille Air Liquide, m’explique Bertrand Masselot, un Français déménagé à Montréal en 2017 pour prendre la direction d’Air Liquide Canada. « Même s’il est incolore, cet hydrogène est dit vert, car sa production utilise de l’hydroélectricité, qui n’émet à peu près pas de gaz à effet de serre. »
Après un an de travaux réalisés en pleine pandémie, l’usine de Bécancour est devenue ce printemps la première dans le monde à fabriquer à grande échelle de l’hydrogène avec, comme seules matières premières, de l’eau et de l’électricité. Et elle pourrait représenter un jalon important de la transition énergétique nécessaire pour faire face aux changements climatiques.
Les experts sont formels : pour limiter le réchauffement climatique à 1,5 °C, un seuil au-delà duquel la vie sur Terre serait profondément bouleversée, il faudra qu’en 2050 l’humanité n’émette plus aucun gaz à effet de serre. Pour cela, dit l’Agence internationale de l’énergie, on doit révolutionner la manière dont on produit et on consomme l’énergie, responsable des trois quarts des émissions de GES. L’électricité produite à partir de sources renouvelables ou non carbonées — l’hydroélectricité, les énergies solaire et éolienne, la biomasse, la géothermie et le nucléaire — doit remplacer la combustion des carburants fossiles pour se déplacer, se chauffer et alimenter les procédés industriels. Et, selon l’Agence, l’hydrogène vert est le complément indispensable de cette électrification massive. Le XIXe siècle était celui du charbon, le XXe celui du pétrole. Le XXIe sera-t-il celui de l’hydrogène ?
C’est à voir. Car il faudra en fabriquer beaucoup: au moins 520 millions de tonnes par an d’hydrogène vert d’ici 2050… soit près de 180 000 fois ce que produit Air Liquide à Bécancour. Comme si la commande n’était pas déjà assez costaude, il faudra changer la façon d’en créer. Pour l’instant, 95 % de l’hydrogène fabriqué dans le monde, dont 97 % de celui produit au Québec, n’est pas « vert », mais « gris », ou plus rarement « bleu », selon deux procédés pas mal plus polluants.
Car, oui, il faut « produire » de l’hydrogène. Même s’il s’agit du gaz le plus abondant de l’Univers, on n’en trouve à peu près pas sur Terre, parce qu’il est trop léger pour y être retenu par la gravité. Il faut le fabriquer, à partir de matières qui contiennent des atomes d’hydrogène. (Vous vous souvenez du tableau périodique, du temps de vos études secondaires ? Le premier élément, H, c’est le symbole de l’hydrogène.)
On peut créer de l’hydrogène à partir de l’eau (le H dans le symbole H2O), comme à Bécancour.
On peut aussi en créer à partir d’hydrocarbures, qui, comme leur nom l’indique, sont faits d’atomes d’hydrogène et d’atomes de carbone. C’est cet hydrogène-là que l’on dit « gris », car sa fabrication émet plus d’un milliard de tonnes de CO2 par an — environ 12 fois les émissions totales de GES du Québec ! L’hydrogène est dit « bleu » quand on capte le dioxyde de carbone émis lors de la production et qu’on le stocke dans d’anciennes poches de gaz ou de pétrole vides. C’est là un procédé moins polluant, mais dispendieux et encore expérimental.
L’hydrogène gris est, depuis des décennies, une matière première essentielle à de nombreuses industries. Il s’en produit déjà près de 130 millions de tonnes par an dans le monde, dont plus de la moitié sert au raffinage de produits pétroliers et à la fabrication d’engrais. Au Québec, par exemple, les raffineries de Valero, à Lévis, et de Suncor, à Montréal, en fabriquent des dizaines de tonnes par jour pour leurs propres besoins.
L’hydrogène a bien d’autres applications, du soudage à la fabrication de la margarine, du verre ou des circuits imprimés. Il sert aussi de carburant pour les fusées. Dans des régions très industrielles, comme la Ruhr, en Allemagne, ou le golfe du Mexique, il voyage même déjà par pipeline.
Bref, pour que l’hydrogène joue son rôle dans la transition énergétique, il va falloir changer la manière dont on le produit, quadrupler les quantités obtenues et développer toutes les applications où il peut diminuer les émissions de GES. Le défi est immense, risqué et peut-être même irréaliste, selon certains experts.
N’empêche, au Québec, l’hydroélectricité fait rêver au déploiement de cette nouvelle filière.
EN ARRIVANT À L’USINE D’AIR LIQUIDE,
difficile de rater le poste électrique. Deux structures en bois, qui relient des câbles imposants, confèrent à ce coin un air de terrain de soccer abandonné, faute de géants pour garder les buts. À côté du poste, trois bâtisses basses peintes en bleu et quelques réservoirs blancs sont dispersés autour d’une grosse sphère reliée au reste des installations par des canalisations suspendues. Au milieu de tout ça, une station-service où trois camionsciternes, moteurs arrêtés, sont en cours de remplissage.
L’électrolyse, soit la décomposition chimique de l’eau à l’aide d’un courant électrique, a beaucoup progressé depuis son invention, en 1800. À Bécancour, quatre électrolyseurs, à peine plus gros que des réfrigérateurs, font le travail, abrités dans une des bâtisses bleues.
Chacun des électrolyseurs — un modèle dit « à membrane à protons » — a besoin de cinq mégawatts de puissance pour produire deux tonnes d’hydrogène par jour à partir de l’eau de la Ville de Bécancour, qu’Air Liquide traite pour retirer sels minéraux et impuretés. Lorsque cette eau ultrapure (H2O) est mise au contact du courant électrique, la décomposition s’opère. L’hydrogène gazeux (H2) s’en va d’un côté de la membrane du catalyseur, et l’oxygène gazeux (O2) de l’autre. Cet O2 est rejeté dans l’air par la cheminée de l’usine, car les quantités produites sont pour l’instant
trop faibles pour qu’il soit rentable de l’utiliser.
Dans le bâtiment d’à côté, l’électricité sert cette fois à abaisser à –250 °C la température de l’hydrogène, qui devient alors liquide. Puis, l’hydrogène est stocké sous cette forme dans le gros réservoir sphérique blanc. De là, il est transféré dans les citernes des camions — certains le transportent aussi sous forme de gaz comprimé — afin d’être acheminé chez quelques dizaines de clients, principalement dans le nordest des ÉtatsUnis.
Le tout nécessite de strictes conditions de sécurité : toute fuite d’hydrogène dans l’air est susceptible de provoquer une explosion, puisque le contact de l’hydrogène avec l’oxygène de l’air, qui redonne de l’eau, entraîne une réaction qui dégage beaucoup d’énergie. « Il n’y a pas de raison d’en avoir particulièrement peur : on n’est plus à l’époque du Hindenburg, le dirigeable à l’hydrogène qui a explosé en 1937 ! » explique Pierre Bénard, directeur de l’Institut de recherche sur l’hydrogène, à l’Université du Québec à TroisRivières.
L’industrie est déjà encadrée par de solides normes de sécurité, mises sur pied, entre autres, quand la NASA a commencé à utiliser massivement ce gaz, dans les années 1950, poursuit le chercheur, dont l’équipe a notamment travaillé avec le Bureau de normalisation du Québec pour élaborer le Code canadien d’installation de l’hydrogène. « Une des tâches les plus importantes des gouvernements va consister à établir des normes internationales communes pour l’hydrogène puisque, pour l’instant, elles varient d’un pays à un autre. »
L’usine de Bécancour ne sera pas la plus grosse durant bien longtemps, ni dans le monde ni au Québec, se réjouit le PDG d’Air Liquide, Bertrand Masselot. En Normandie, l’entreprise a déjà annoncé la construction d’une unité de 200 mégawatts, où 25 électrolyseurs devraient réussir à produire 28 000 tonnes d’hydrogène vert par an. Et d’autres entreprises prévoient construire des usines de taille similaire dans plusieurs pays.
Au Québec, HydroQuébec est aussi entrée dans la course. Elle a entrepris à Varennes la construction d’une
unité d’électrolyse de 88 mégawatts qui, à partir de 2023, alimentera en hydrogène une nouvelle bioraffinerie d’Enerkem destinée à transformer les déchets ménagers en biocarburants. « Il est certain que l’hydrogène a un rôle à jouer dans la transition énergétique en complément de l’électricité. Techniquement, développer cette filière est faisable, mais économiquement, c’est moins évident », dit Mathieu Johnson, directeur du développement, du partenariat et de la planification stratégique à HydroQuébec. « HydroQuébec entend donc d’abord s’impliquer dans des projets qui vont soutenir et fédérer les industriels intéressés. »
À Varennes toujours, Greenfield Global, le plus gros producteur d’éthanol au Canada, va aussi moderniser son usine pour y produire annuellement 9 600 tonnes d’hydrogène par électrolyse, à compter de 2025.
Normand Goyette, lui, vise une tout autre technologie. « Avec l’entreprise OMNI CT, d’Ottawa, on va produire du gaz naturel à partir de toutes sortes de déchets, qu’on va ensuite transformer en hydrogène par un procédé au plasma », explique l’entrepreneur novice dans ce secteur, qui a créé la société H2V Énergies avec l’ambition de construire une usine d’hydrogène vert d’un milliard de dollars à Bécancour. Il affirme que cette technologie, qui en est à ses débuts, consommera au moins cinq fois moins d’électricité que l’électrolyse. En mai, H2V a reçu 35 millions de dollars d’une société d’investissement, mais Normand Goyette, qui se fait conseiller, entre autres, par l’Institut de recherche sur l’hydrogène, croit que le tiers du financement de son projet devra venir des gouvernements. À voir.
D’autres voient beaucoup plus grand avec des installations pharaoniques censées démarrer d’ici 2030. Une vingtaine de gigausines ayant sur papier des capacités d’électrolyse supérieures à un gigawatt (50 fois l’usine de Bécancour !) ont été annoncées dans le monde ces deux dernières années, principalement en Europe, en Chine et en Amérique latine. Le plus imposant projet, baptisé HyDeal Ambition, rassemble 30 producteurs d’énergie et vise à installer en Espagne, en France et en Allemagne des
électrolyseurs alimentés par des centrales solaires et fournissant au total 67 gigawatts. C’est l’équivalent de près de deux fois la puissance de toutes les centrales d’Hydro-Québec réunies. LE CANADA, COMME BIEN D’AUTRES, ENTEND devenir un des leaders mondiaux, et vante ses atouts — une centaine d’entreprises actives dans les technologies de l’hydrogène ainsi qu’une importante production d’électricité d’origine renouvelable — dans la Stratégie canadienne pour l’hydrogène publiée en décembre 2020, assortie d’un budget de 1,5 milliard de dollars. Le Québec, qui publiera cet automne un document similaire, a déjà réservé 15 millions de dollars à l’hydrogène vert dans son dernier budget. Le Japon, les États-Unis, la Chine, la Corée du Sud, l’Allemagne, la France et l’Australie ont déjà publié leurs plans et annoncé des soutiens gouvernementaux de plusieurs milliards de dollars.
Ottawa entrevoit que les exportations pourraient rapporter pas moins de 50 milliards de dollars d’ici 2050. D’ici cette date, lit-on dans sa Stratégie, l’hydrogène fournira le tiers de l’énergie utilisée au pays, et cette production fera diminuer de 190 millions de tonnes les émissions de GES, soit environ le quart des émissions actuelles du Canada. Il va donc falloir bien d’autres solutions pour atteindre la carboneutralité.
D’autant que son plan mise surtout sur l’hydrogène bleu, qui, comme l’hydrogène gris, est principalement produit à partir de gaz naturel. À la différence qu’un procédé permet de capter le CO2 émis lors de la fabrication, puis de le stocker au lieu de l’évacuer dans la nature. C’est plus compliqué. Et cher.
Pour l’instant, une seule usine fonctionne sur ce principe au Canada: près d’Edmonton, Shell produit depuis 2015 de l’hydrogène bleu pour l’industrie pétrolière dans une installation baptisée Quest. L’usine capte 1,2 million de tonnes de CO2 par an, qui est envoyé par un pipeline de 65 km jusqu’à une formation géologique dans laquelle il est injecté à 2 km sous terre.
L’hydrogène a beaucoup de potentiel dans l’industrie de la sidérurgie, responsable à elle seule de 4 % à 5 % des émissions mondiales de GES. Pour fabriquer de l’acier, il faut casser les molécules de minerai de fer, faites surtout d’atomes de fer et d’oxygène, en procédant à ce que les chimistes appellent une réaction de réduction. La méthode traditionnelle consiste à brûler du coke, un dérivé du charbon très riche en carbone, dans des hauts fourneaux, ou bien à utiliser du monoxyde de carbone, ce qui dégage d’énormes quantités de CO2. Or, au cours des dernières années, des chercheurs ont montré que l’hydrogène peut aussi jouer ce rôle d’élément réducteur, en transformant le minerai de fer en fer pur… et en eau. Des projets-pilotes d’usines dites de « réduction directe à hydrogène » viennent d’être lancés en Europe et au Japon par de grands industriels comme ArcelorMittal. Il faudra du temps pour convertir cette industrie lourde, mais les sidérurgistes ambitionnent de rendre leur industrie carboneutre avant 2050.
Le gouvernement de l’Alberta croit que cette technologie pourrait faire de la province un acteur important de l’hydrogène « propre ».
Philippe Tanguy, professeur à Polytechnique Montréal et auteur d’une étude technicoéconomique sur la filière hydrogène commandée par le gouvernement du Québec en 2020, en doute. «Le procédé est coûteux en énergie et en eau, et pour séparer le CO2, on utilise des amines dont la production est très polluante. De plus, le nombre de sites géologiques pour stocker ce gaz est limité», prévient cet ancien du groupe pétrolier Total, devenu grand patron de Polytechnique Montréal.
L’ingénieur craint aussi qu’on sousestime les difficultés à augmenter la production et à faire accepter des pipelines allant jusqu’à la côte du Pacifique pour pouvoir exporter l’hydrogène. « Juste pour stocker les quantités émises aujourd’hui par la production d’hydrogène gris au Canada, il faudrait 30 projets Quest ! Je veux bien qu’on développe l’hydrogène bleu, mais où vaton mettre tout le CO2 ? »
Ça vaut quand même la peine d’essayer, juge quant à lui Simon Dyer, directeur général de l’Institut Pembina, un groupe de réflexion sur l’énergie propre très actif dans l’Ouest. « L’Alberta doit faire partie de la solution, car elle a beaucoup d’expertise qui pourrait être valorisée dans cette filière. Elle pourrait produire plus d’hydrogène pour aider au déploiement des applications, quitte à ce que la fabrication du gaz ne soit pas, pour un temps, aussi propre qu’espéré», explique l’analyste.
LORSQUE J’AI CONTACTÉ PIERRE-OLIVIER
Pineau, titulaire de la Chaire de gestion du secteur de l’énergie à HEC Montréal, pour avoir son avis sur l’hydrogène, ses premiers mots ont sonné comme un avertissement. « Surtout, quand vous lisez des plans de déploiement, regardez bien les unités de mesure », m’atil conseillé.
De fait, une fois démêlées les unités de puissance et de production électriques, de volume ou de masse d’hydrogène ou de GES, on se rend compte de ce que cela demandera pour réussir cette révolution : de quoi se donner un sérieux choc électrique !
Un exemple, calculé par Philippe Tanguy, de Polytechnique : pour convertir à l’hydrogène seulement 10 % des camions lourds immatriculés au Québec, il faudrait 30 usines comme celle d’Air Liquide à Bécancour et une quantité d’électricité de cinq térawattheures pour les alimenter… soit presque toute la production de l’énorme complexe hydroélectrique de la Romaine !
«C’est vrai que l’hydroélectricité du Québec constitue un avantage stratégique pour le déploiement de projetspilotes pour l’hydrogène, mais si cette filière se développe, on va vite manquer de puissance », prévient le chercheur.
L’Europe, qui envisage d’avoir 100 000 camions à hydrogène d’ici 2030 — soit un trentième de son parc de camions —, devra quant à elle trouver l’équivalent de 15 centrales nucléaires ou couvrir de panneaux solaires l’équivalent de huit fois Paris pour générer assez de ce carburant.
Arriver à produire suffisamment d’énergie à la fois pour l’électrification et pour la fabrication d’hydrogène va représenter un défi colossal, voire insurmontable. «Même si des pays comme la Chine ou la Russie songent à développer leurs capacités nucléaires, il va falloir des quantités faramineuses de béton, entre autres, pour construire ces nouvelles centrales. Et avec quelle énergie vaton produire ce béton ? » se demande, en riant jaune, l’ingénieur Philippe Tanguy.
« Ça vaut quand même vraiment la peine de chercher à développer la filière hydrogène, avec des projetspilotes bien conçus, pour savoir ce qui est le plus porteur. On ne peut pas se permettre de négliger cette piste», croit le chercheur.
Révolution ou pas, si l’humanité veut vivre sans gaz à effet de serre en 2050, le plus sûr moyen est encore de diminuer nettement la quantité totale d’énergie que l’on consomme, quelle qu’en soit l’origine. « Sinon, on n’y arrivera jamais», affirme PierreOlivier Pineau, de HEC. Avoir de plus petites voitures, utiliser davantage les transports en commun ou actifs, consommer moins, réutiliser et recycler, améliorer l’efficacité énergétique des bâtiments… tout cela est bien moins vendeur que le rêve de l’ingénieur Cyrus Smith de L’île mystérieuse. Mais il ne faudrait pas l’oublier.