Carboneutralité – L’hydrogène est-il le nouveau pétrole?

L’hydrogène est l’élément le plus simple et le plus abondant de l’univers et il est devenu un composant essentiel des processus industriels depuis des années. C’est un fait bien connu, il suscite un engouement sans précédent ces dernières années pour remplacer les énergies fossiles dans un monde carboneutre. Quand ce gaz non toxique, incolore et inodore, mais hautement combustible, est brûlé pour produire de l’énergie, ses seules émissions sont de la vapeur d’eau. 

Alors que les pays s’emploient à décarboniser leurs économies d’ici 2050, ils sont nombreux à explorer le potentiel de l’hydrogène non seulement pour chauffer les maisons, faire rouler les voitures et compenser les réseaux d’électricité, mais aussi pour nettoyer les secteurs qui ont peinent à réduire leurs émissions et ne sont pas faciles à électrifier, comme la fabrication industrielle, les transports lourds et l’aviation. Plus de 30 gouvernements nationaux ont mis en place des stratégies en vue de créer une nouvelle économie axée sur l’hydrogène – l’Union européenne, par exemple, souhaite produire un million de tonnes d’hydrogène renouvelable par année d’ici 2024, pour atteindre 10 millions d’ici la fin de la décennie. Les partisans de l’hydrogène l’appellent « le couteau suisse des solutions énergétiques » et croient que c’est la pièce manquante du casse-tête de l’énergie renouvelable pour résoudre les problèmes d’intermittence et de stockage. D’après Hydrogen Council*, un organisme sectoriel fondé en 2017, l’hydrogène pourrait combler un cinquième des besoins énergétiques du monde d’ici 2050. D’ici là, Goldman Sachs* prévoit que le marché mondial potentiel pourrait valoir 11,7 milliers de milliards de dollars. 

Or, si cela vient à se réaliser, l’industrie de l’hydrogène devra non seulement résoudre des défis techniques, car sa production nécessite rien de moins que des infrastructures entièrement nouvelles, mais aussi s’attaquer à des problèmes de perception. Sa réputation est encore entachée par la catastrophe de Hindenburg qui, en 1937, a coûté la vie à 35 personnes alors qu’un avion plein d’hydrogène a explosé pour une cause indéterminée. On se demande aussi dans quelle mesure la production d’hydrogène est réellement durable. Aujourd’hui, la grande majorité de l’hydrogène industriel est généré à partir de gaz naturel, de méthane ou de charbon, mais les espoirs des tenants de l’hydrogène sont fondés sur le développement de deux nouvelles méthodes. L’hydrogène « vert » est obtenu en séparant l’eau à l’aide d’électrolyses alimentées par de l’énergie renouvelable, tandis que l’hydrogène « bleu » est dérivé du gaz naturel alors que les émissions de CO2 qui en résultent sont captées et stockées. Les deux méthodes produisent une énergie combustible sans émettre davantage de carbone dans l’atmosphère, mais seule la première est vraiment carboneutre. Les détracteurs de l’hydrogène avancent qu’il sera impossible de produire de l’hydrogène vert à grande échelle assez rapidement et que, jusqu’à présent, cela reste un combustible fossile. Ils craignent que cela détourne l’attention des énergies renouvelables comme l’énergie solaire et éolienne et que cela permette aux plus grands émetteurs de dioxyde de carbone de poursuivre leurs activités comme d’habitude. D’autres soutiennent que l’hydrogène bleu constitue une solution pragmatique pour réduire les émissions à court terme et que nous ne pouvons pas nous permettre de ne pas tirer profit des infrastructures et des chaines d’approvisionnement actuelles dans notre ruée vers la carboneutralité. 

Différentes voies mènent à la carboneutralité 

La destination est peut-être la même, mais les voies que les pays ont l’intention de prendre pour atteindre l’économie axée sur l’hydrogène sont différentes, selon leurs bouquets énergétiques et économiques actuels. Le Canada, en tant que sixième plus grand producteur d’énergie au monde, mise grandement sur l’hydrogène pour décarboner un secteur énergétique qui contribue à plus de 10 % de son produit intérieur brut, en s’appuyant principalement sur le pétrole et le gaz. Avec la Stratégie canadienne pour l’hydrogène, publiée en décembre 2020, le gouvernement du Canada s’appuie sur ses atouts actuels en gaz naturel pour imaginer un secteur qui pourrait valoir 50 milliards de dollars d’ici 2050, ce qui créerait 350 000 emplois et permettrait de progresser grandement vers la carboneutralité en répondant à 30 % des besoins énergétiques du pays. 

Il s’agit d’une première étape essentielle vers un monde entièrement décarbonisé, croit Daniel Matthews, directeur de projets, Énergie, ressources et industrie chez WSP Canada. « Il a fallu un siècle pour créer les infrastructures Pétrole et gaz qui dynamisent nos économies aujourd’hui, alors la construction d’une économie basée sur l’hydrogène n’arrivera pas du jour au lendemain, explique-t-il. Le secteur de l’énergie aura besoin de soutien provincial et fédéral pour réaliser la vision de la transition énergétique. Afin de combler l’écart entre les infrastructures énergétiques actuelles et un avenir énergétique à faible empreinte carbone, le Canada cherche différents moyens de produire et d’utiliser de l’hydrogène, à commencer par la possibilité d’avoir de petits ratios de gaz naturel mélangé à de l’hydrogène dans les pipelines gaziers actuels. »

Cette approche permettrait de redéployer toute la main-d’œuvre d’hydrocarbures du Canada, ajoute-t-il, ce qui, autrement, pourrait être laissé de côté dans le cadre de la transition énergétique : « Il est impératif que nous évaluions rapidement le potentiel de l’hydrogène à cette étape. Sinon, nous allons manquer une occasion intéressante. » 

L’un des plus grands obstacles au déploiement de l’hydrogène à grande échelle est la gestion de l’offre et de la demande simultanément, explique Sabina Russell, responsable chez Zen Clean Energy Solutions, qui a joué le rôle de rédactrice principale pour la stratégie canadienne. « C’est difficile pour les investisseurs de s’engager à financer des infrastructures pour l’approvisionnement et la distribution de l’hydrogène s’ils ne savent pas avec certitude quelle sera la demande et s’il n’y a pas d’ententes fiables conclues à ce sujet. D’un autre côté, si on n’est pas certains de l’approvisionnement local en hydrogène et des prix des combustibles, cela peut empêcher l’adoption de cette approche dès le début. » Pour résoudre ce problème, le Canada cherche à créer des pôles axés sur l’hydrogène où la chaine de valeur complète est développée à grande échelle, de manière concentrée dans une région bien délimitée, avec de multiples applications pour les utilisateurs finaux qui partagent ces infrastructures communes. 

Le gouvernement souhaite maintenant trouver des experts de l’industrie pour l’aider à lancer cette approche, même s’il aura aussi un rôle à jouer, ajoute Sabina Russell. « Il faut une grande coordination entre les partenaires du consortium dans la chaine de valeur pour développer ces projets. Les gouvernements régionaux et fédéraux doivent appuyer les incitatifs et mettre en place des mesures de réglementation pour créer la demande afin d’adopter les combustibles à faible empreinte carbone. » 

Le gouvernement du Royaume-Uni prend une approche similaire, en plaçant les centres industriels carboneutres qui fonctionnent à l’hydrogène au cœur de ses engagements pour atteindre la carboneutralité d’ici 2050. Parmi ses activités figure HyNet North West*, un projet pour lequel WSP Royaume-Uni agit en tant que consultant. La livraison graduelle de ce projet commencera dès 2025, et HyNet fournira aux utilisateurs industriels et aux clients domestiques qui consomment beaucoup d’énergie de l’électricité produite de manière flexible et du carburant pour les bus, les trains et les camions. 

La révolution de l’hydrogène vert au Chili 

Pour les pays qui n’ont actuellement pas de capacités en matière de gaz naturel, le fait de bâtir de nouveaux sites d’exploitation pour des infrastructures d’hydrogène vert est une solution très attrayante. Le Chili est dans une situation très différente du Canada. Il dépend de ses importations de charbon, de gaz naturel et de pétrole pour atteindre 90 % de ses exigences énergétiques. Or, il possède d’immenses ressources en énergie renouvelable solaire et éolienne. Le développement d’infrastructures d’hydrogène vert nationales est donc l’occasion pour ce pays non seulement de réduire ses émissions, mais aussi, au bout du compte, de garantir son indépendance énergétique. C’est l’objectif de sa stratégie verte nationale sur l’hydrogène*, publiée à la fin de 2020.

Cela permettra au pays de transformer certaines de ses plus grandes industries qui émettent beaucoup de dioxyde de carbone, explique Guillermo Diaz Del Rio, responsable du programme Conçu pour l’avenir chez WSP Chili. Le Chili est le plus grand producteur au monde de cuivre et le deuxième plus grand producteur de lithium, et le secteur minier représente 10 % de son PIB. « Nous voyons un énorme potentiel pour décarboner le secteur minier au Chili en remplaçant le diesel utilisé dans les activités de transport par du carburant vert à base d’hydrogène, explique-t-il. Ce secteur génère actuellement 3 000 tonnes de CO2 par année, et avec l’augmentation de la demande pour le minerai du Chili dans le monde entier, nos aspirations à exploiter les mines et l’hydrogène seront étroitement liées à partir de maintenant. » 

Les avantages de l’hydrogène vert pour le transport lourd dans d’autres secteurs seront aussi importants dans ce pays qui s’étend sur 4 000 km du nord au sud. De plus, la stratégie permet de repérer des occasions de décarboniser le secteur de l’agriculture du Chili en utilisant des fertilisants à base d’ammoniaque verte.  

Certains projets pilotes sont planifiés partout au pays. Par exemple, il y a le projet HyEx, qui est une collaboration entre la firme énergétique Engie et le fabricant d’explosifs miniers Enaex. Il s’agit de construire un parc solaire de 2 000 MW dans la région d’Antofagasta, de quoi alimenter une usine de production d’hydrogène à base d’électrolyse de 1 600 MW afin de générer 124 000 tonnes d’hydrogène vert chaque année. Cela permettra d’approvisionner une usine en ammoniaque pour produire 700 000 tonnes d’ammoniaque verte par année, dont la moitié sera destinée à une utilisation domestique pour une usine de nitrate d’ammonium d’Enaex et à la production de carburant et de fertilisants verts, et le reste sera exporté. 

La Suède, qui est reconnue comme une chef de file mondiale de la décarbonisation, met aussi l’accent sur l’hydrogène vert, en particulier pour nettoyer l’un de ses segments industriels les moins écologiques : la fabrication d’acier. L’initiative Fossilfritt Sverige* (Fossil Free Sweden) du gouvernement suédois vise à bâtir un secteur industriel robuste, à créer des emplois et des occasions d’exportation, en délaissant les combustibles fossiles. « Nos grands groupes sidérurgiques voient que les acteurs du marché sont de plus en plus prêts à payer plus cher pour obtenir de l’acier vert, et les investisseurs s’y attendent », explique Claes af Burén, responsable de l’équipe Énergie chez WSP Suède. 

La solution de l’hydrogène bleu n’a jamais été envisagée ici, explique-t-il. En effet, le gaz naturel représente moins de 2,5 % du bouquet énergétique de la Suède, et ses infrastructures en gaz sont limitées et se trouvent dans le sud-ouest du pays, alors que la production d’acier est concentrée dans le nord. L’équipe de Claes af Burén participe à plusieurs projets dans les pays nordiques : des études de marché aux emplacements de site jusqu’à la conception de base. 

Le projet H2 Green Steel est un exemple de cette transformation verte, à Norrbotten. Il comprendra une usine d’hydrogène intégrée à très vaste échelle, dotée d’une capacité de production annuelle de 5 millions de tonnes d’acier vert d’ici 2030. Pendant ce temps, à Luleå, dans le cadre du projet Hybrit, porté par une collaboration entre les entreprises LKAB, SSAB et Vattenfall spécialisées dans les secteurs des mines, de l’acier et de l’énergie respectivement, on est en train d’inventer la première éponge de fer sans énergie fossile du monde en utilisant de l’hydrogène sans énergie fossile pour réduire le minerai de fer au lieu d’utiliser de l’acier et du coke. Or, l’adoption de cette approche à plus grande échelle dépendra entièrement de la capacité de la Suède à augmenter sa production à partir de sources éoliennes, prévient-il. « Pour répondre à la demande, nous devrons accroitre la production d’électricité renouvelable jusqu’à 100 %. C’est beaucoup, et nous n’avons pas encore les réponses. »

Des solutions axées sur la sécurité

Une autre question à laquelle nous devrons répondre concerne la sécurité. L’hydrogène est un matériau très inflammable. Son stockage et son transport sur de longues distances présentent donc des risques considérables qui doivent être gérés, en particulier si un marché d’exportation durable est aussi mis en place. C’est un point essentiel pour les stratégies de nombreux pays. Le Chili espère capitaliser sur la demande de produits dérivés de l’hydrogène vert, en ciblant les pays qui manquent des mêmes capacités d’énergie renouvelable, et il a déjà signé une entente bilatérale avec l’Allemagne pour créer une chaine d’approvisionnement en hydrogène vert. Le Canada aussi espère que les exportations d’hydrogène remplaceront le commerce en déclin des combustibles fossiles. 

Ici, au moins, il y a une solution qui est plus facilement disponible sous la forme d’ammoniaque (NH3), un produit chimique stable et malodorant qui a déjà été produit à grande échelle à partir de combustibles fossiles et largement exporté sous sa forme liquide pour être utilisé en agriculture et dans l’industrie. L’ammoniaque propre, qui est produite à partir d’hydrogène vert ou bleu, serait une manière de capter, de stocker et de transporter le gaz pour le brûler dans des piles et des turbines à combustible sans énergie fossile, à distance et à la demande. C’est un autre objectif en matière d’investissement. 

Yara, l’un des plus grands producteurs au monde d’ammoniaque, a annoncé la première conversion d’une usine d’ammoniaque actuelle plus tôt cette année*, avec l’électrification de son usine phare de production de produits chimiques à Porsgrunn, en Norvège. En s’adaptant pour utiliser l’énergie renouvelable et éliminer l’utilisation de gaz naturel, il souhaite produire de l’ammoniaque et de l’hydrogène de la manière la plus écologique qui soit pour réduire jusqu’à 800 000 tonnes de CO2 par année, soit l’équivalent des émissions de 300 000 véhicules. L’entreprise a aussi signé un contrat avec la plus grande firme de production d’électricité du Japon, JERA*, pour développer une chaine d’approvisionnement pour l’ammoniaque verte et l’ammoniaque bleue là-bas. 

Cette diversité d’approches et de solutions sera la réalité de toute transition à venir, croit Angela Wilkinson, secrétaire générale du Conseil mondial de l’énergie, un organisme agréé par les Nations unies qui fait le suivi des avancées sur l’hydrogène depuis plus d’un siècle. Il n’y a pas une seule voie, explique-t-elle. « Le discours prôné dans la politique mondiale sur l’hydrogène vert contraste avec cette diversité régionale et les différents ponts énergétiques dont les sociétés ont besoin pour permettre, soutenir et accélérer la transition énergétique. De multiples transitions énergétiques sont en cours, et il y a de plus en plus de diversité dans les régions, les ressources, les technologies, les besoins et les compétences. » 

Beaucoup d’entreprises auront un rôle à jouer dans la nouvelle économie de l’hydrogène, entre autres, des gouvernements régionaux et nationaux, des organismes internationaux, des géants du pétrole et du gaz, des nouvelles entreprises novatrices ainsi que de grands investisseurs et entrepreneurs. Wilkinson remarque qu’il y a de plus en plus d’acteurs établis et non conventionnels qui travaillent dans le domaine et que la compétition est de plus en plus rude pour atteindre les résultats escomptés. « Les entreprises de pétrole et de gaz tirent profit des capitaux pour passer à l’hydrogène propre, à son captage, à son utilisation et à son stockage à grande échelle, au même moment où d’autres acteurs en dehors du secteur énergétique influent sur les voies de la transition énergétique en offrant des services connexes, dit-il. Un des exemples est le paradigme de la nouvelle mobilité et la concurrence entre les grandes entreprises de pétrole et de gaz, d’automobile, de métadonnées et de numérique pour garantir une part de marchés pour la mobilité et les services aux consommateurs. » 

Elle fait aussi remarquer les grandes incidences qu’aurait une telle transition : « Le volet de l’hydrogène au complet va au-delà de l’énergie et du climat. Pour savoir si l’hydrogène changera la donne dans le secteur de l’énergie, il faudra autant d’avancées en informatique quantique qu’en produits chimiques. Et les nouvelles molécules et les matériaux non toxiques synthétiques refaçonneront également les besoins et les utilisations en matière d’énergie. C’est pourquoi il est important de se projeter au-delà de la perspective habituelle de l’approvisionnement pour faire des progrès en matière d’hydrogène propre et anticiper les nouveaux développements en matière de demande. »

Étant donné l’échelle des occasions potentielles, il n’est pas surprenant que le marché de l’hydrogène, qui est en plein essor, attire autant la concurrence. Et c’est certainement une bonne chose, puisque vu l’ampleur de l’enjeu, la transition vers la carboneutralité devra autant que possible avoir de multiples facettes, être inclusive et complète.