Électrolyse d'hydrogène : principe, fonctionnement et applications

Qu’est-ce que l’électrolyse de l’eau ?

L'hydrogène par électrolyse est une technologie d’avenir pour la production d'énergie durable. Aujourd'hui, les méthodes utilisées émettent du CO₂. L’hydrogène est un gaz inodore et incolore, présent en abondance sur terre. Pour produire de l'hydrogène, il faut un composant contenant de l'hydrogène (gaz naturel, pétrole, charbon, eau) et une source d'énergie (hydrocarbures ou électricité). Ces transformations émettent des gaz à effet de serre (GES).

Or l’électrolyse de l’eau, à partir d'électricité décarbonée ou renouvelable, est une solution disponible et accessible et permettrait de produire un hydrogène « décarboné », car ni sa production ni son utilisation n'émettent de CO₂. 

L’électrolyse de l’eau est une méthode par laquelle l’électricité décompose l’eau (H₂O) en ses éléments constitutifs : l’hydrogène (H₂) et l’oxygène (O₂). Ce processus utilise un électrolyseur, un dispositif qui facilite cette séparation grâce à deux électrodes plongées dans une solution conductrice.

Le déploiement de cette technologie est facilité par la réduction des coûts des électrolyseurs au cours de ces dernières années. Les analyses montrent que la compétitivité de l’hydrogène « décarboné » ou « vert » (c’est-à-dire uniquement produit à partir d’énergies renouvelables) pourrait être atteinte à l’horizon 2035.

L’ hydrogène par électrolyse et la production d’hydrogène vert

L’hydrogène produit par électrolyse est qualifié de "vert" lorsqu'il est généré à l’aide d’énergies renouvelables. Contrairement à l’hydrogène gris, dérivé des combustibles fossiles, l'hydrogène vert ne produit pas de CO₂ lors de sa production.

Cette technologie d’hydrogène par électrolyse est indispensable pour la décarbonation de secteurs comme les transports et l’industrie. En utilisant des sources d’énergie renouvelables, telles que le solaire ou l’éolien pour l’électrolyse de l’eau, l’impact environnemental est considérablement réduit. La production d’hydrogène par électrolyse de cette manière soutient les objectifs mondiaux de neutralité carbone.

Les types d’électrolyseurs et leur fonctionnement

Électrolyseur alcalin

Ce type d’électrolyseur utilise une solution alcaline comme électrolyte. Il est reconnu pour sa robustesse et sa fiabilité. Il est particulièrement adapté pour des applications industrielles grâce à son coût de fabrication relativement bas.

Électrolyseur à membrane échangeuse de protons (PEM)

Le PEM utilise une membrane polymère pour séparer l’hydrogène et l’oxygène. Il est apprécié pour sa capacité à fonctionner sous haute pression et à produire de l’hydrogène de haute pureté. Sa réactivité rapide en fait une option idéale pour intégrer les énergies renouvelables intermittentes.

Électrolyseur à oxyde solide

Cette technologie opère à haute température, ce qui améliore l'efficacité énergétique. Elle est encore en phase de développement mais promet des rendements élevés et une compatibilité avec divers types d’énergies.

La compréhension des différences entre ces technologies est essentielle pour optimiser la production d’hydrogène en fonction des besoins spécifiques de chaque secteur.

L’hydrogène comme solution énergétique durable

L’hydrogène est souvent appelé le carburant du futur en raison de sa capacité à générer de l’électricité sans émission de CO₂. Utilisé dans des piles à combustible, l’hydrogène produit de l’électricité par une réaction chimique avec l’oxygène, ne rejetant que de l’eau.

Conversion de l’hydrogène en électricité

Les piles à combustible transforment l’énergie chimique de l’hydrogène directement en énergie électrique. Cette méthode est particulièrement utile pour les applications mobiles, comme les véhicules à hydrogène, ou stationnaires comme les systèmes de secours énergétique.

L'hydrogène par électrolyse offre ainsi une solution viable pour remplacer les carburants fossiles dans les secteurs de l'industrie et des transports, soutenant un futur énergétique plus propre.

Défis et perspectives économiques de l’hydrogène

Enjeux environnementaux et économiques

Le développement de l’hydrogène par électrolyse, soit l’hydrogène vert, présente plusieurs défis, notamment le coût élevé de l’électricité renouvelable nécessaire pour l’électrolyse. Cependant, les avancées technologiques et les politiques de soutien peuvent aider à réduire ces coûts.

L’hydrogène par électrolyse offre une solution économique viable à long terme, en particulier dans des contextes où les énergies renouvelables sont abondantes et bon marché. L’investissement dans l’infrastructure d’hydrogène, comme les réseaux de transport et de stockage, peut maximiser les bénéfices économiques de cette technologie.

Perspectives futures

L'électrolyse de l'eau joue un rôle central dans la transition énergétique, avec des projets ambitieux visant à augmenter la capacité de production d'hydrogène. Ces efforts contribuent non seulement à la décarbonation mais aussi à la sécurité énergétique, en diversifiant les sources d'énergie disponibles.

Vers un avenir énergétique propre et durable

L’électrolyse de l’eau est une technologie clé pour produire de l’hydrogène vert, offrant une solution énergétique respectueuse de l’environnement. En répondant aux défis actuels, cette méthode a le potentiel de devenir un pilier de la transition énergétique mondiale, contribuant à un futur durable et décarboné.

L’hydrogène bas carbone et renouvelable, produit par électrolyse, est central pour décarboner l’industrie française. La stratégie nationale vise 6,5 GW de capacité d’ici 2030, mais la filière reste émergente. La compétitivité de l’hydrogène français dépendra de l’installation d’électrolyseurs de grande taille, de l’infrastructure de stockage et du coût électrique compétitif. Bien que l’importation depuis des pays à fort potentiel renouvelable soit envisageable, produire en France renforcerait la souveraineté énergétique tout en préservant les ressources des pays exportateurs. Une impulsion étatique est indispensable pour réussir cette transition.