Hydrogène 101: Bases des chaînes d’approvisionnement en hydrogène

07 octobre 2020

Écrit par Duncan McPherson, Marie Buchinski, Vivek Warrier, Brad Gilmour, Keely Cameron, Sam Denstedt, and Kenryo Mizutani

En juin, le gouvernement canadien a annoncé qu’il dévoilerait une stratégie nationale sur l’hydrogène, qui devrait maintenant être publiée cet automne. L’Industrial Heartland Hydrogen Task Force de l’Alberta, un groupe de représentants du milieu des affaires, de l’énergie, du milieu universitaire et du gouvernement organisé par plusieurs municipalités au nord-est d’Edmonton, devrait également publier cet automne un cadre sur l’hydrogène pour la région. Le gouvernement de l’Alberta a également abordé la question du développement de l’hydrogène dans sa vision et sa stratégie du gaz naturel du 6 octobre 2020, annonçant des objectifs de production et d’exportation d’hydrogène pour 2030 et 2040, respectivement, et l’élaboration d’une feuille de route sur l’hydrogène pour l’Alberta à compter de l’année prochaine. Ces annonces suivent une tendance internationale, de nombreux pays ayant récemment mis de l’avant leurs propres stratégies en matière d’hydrogène. Dans des articles précédents, nous avons exploré les stratégies d’hydrogène de Australia, Japan et la Corée du Sud, et Germany et l’Union européenne.

Mais pourquoi l’hydrogène est-il si populaire? Et à quoi ressemble une économie de l’hydrogène? Cet article explore les bases de l’économie émergente de l’hydrogène, de la production, au transport, à l’utilisation finale, et est un précurseur de nos prochains articles, qui se pencheront sur les stratégies d’hydrogène heartland industriel du Canada et de l’Alberta qui seront bientôt publiées.

Pourquoi l’hydrogène?

L’hydrogène est de plus en plus considéré comme un carburant vital de l’avenir, principalement en raison de sa densité énergétique élevée et de ses émissions zéro carbone au point de consommation. Selon un report du département de l’Énergie des États-Unis, l’hydrogène stocke environ trois fois plus d’énergie en poids que d’autres carburants courants, tels que l’essence, le diesel ou le gaz naturel, et ne produit aucune émission de carbone lorsqu’il est consommé pour produire de l’énergie.

Comment l’hydrogène est-il produit?

Il existe trois procédés courants pour la production d’hydrogène:

Grande hydrogène est produit à partir de combustibles fossiles, principalement du gaz naturel. La méthode de production la plus courante est appelée reformage du méthane à la vapeur, qui crée du dioxyde de carbone et de l’hydrogène. L’hydrogène gris représente environ 95% de la production mondiale actuelle d’hydrogène et est un point de départ pour une future économie de l’hydrogène.

Blue l’hydrogène est produit à partir de gaz naturel par le même processus que l’hydrogène gris, mais est associé à des technologies de capture et de stockage du carbone (CSC) pour réduire l’intensité du carbone, dans de nombreux cas jusqu’à 80 à 90 pour cent par rapport à l’hydrogène gris.

L’hydrogène vert est produit par électrolyse, un processus par lequel les électrodes sont insérées dans l’eau sur des côtés séparés d’une membrane d’électrolyte, brisant les molécules d’eau en hydrogène et en oxygène lorsqu’un courant électrique est traversé par l’eau. Pour être considéré comme de l’hydrogène vert, l’électricité pour l’électrolyse provient de sources renouvelables, telles que l’éolien, l’hydroélectricité ou le solaire, ce qui rend le processus de production sans carbone.

Selon un report de l’Accélérateur de transition de l’Alberta, des trois processus courants, l’hydrogène gris est le moins cher à produire (environ 1,00 $ / kg), l’hydrogène vert étant le plus cher (de 2,24 $ / kg jusqu’à 5,36 $ / kg) et l’hydrogène bleu se situant entre (1,52 $ / kg / kg à 3,32 $/kg).

Il existe également d’autres façons de produire de l’hydrogène. Par exemple, l’électricité nécessaire à l’électrolyse peut provenir du nucléaire ou d’une source non renouvelable comme le gaz naturel. L’hydrogène peut être créé à partir de gaz synthétique produit dans la gazéification du charbon, un processus par lequel un dépôt de charbon profond est réagi avec de l’oxygène et de la vapeur sous haute pression. Cette dernière méthode libère du dioxyde de carbone, mais peut être associée à la technologie CCS pour produire de l’hydrogène bleu.

De nouvelles technologies et de nouveaux processus sont également en cours de développement. Par exemple, Proton Technologies Canada Inc. a breveté un procédé qui surchauffe un réservoir d’huile, brise les molécules d’hydrocarbures et d’eau dans le sous-sol et extrait l’hydrogène produit. Cette méthode produit de l’hydrogène vert, car aucune émission de carbone n’est libérée.

Comment l’hydrogène peut-il être transporté?

Une fois l’hydrogène produit, il existe plusieurs options de transport vers le marché, notamment :

1. Pipelines, nécessitant la compression de l’hydrogène;
2. Camions ou rails, nécessitant la compression ou la liquéfaction de l’hydrogène;
3. les navires-citernes à hydrogène liquide, transportant de l’hydrogène liquéfié à des températures très basses; et
4. Navires-citernes de produits chimiques, nécessitant la conversion de l’hydrogène en produits chimiques porteurs d’hydrogène plus stables tels que le méthyl cyclohexane (_C7H₁₄) ou l’ammoniac (NH₃).

Des concentrations plus faibles d’hydrogène peuvent être mélangées au gaz naturel et transportées à l’aide de l’infrastructure de gazoducs existante, et séparées à sa destination finale. Pour transporter des concentrations plus élevées d’hydrogène, ou d’hydrogène pur, des pipelines spécialement fabriqués à cet effet sont nécessaires.

Le transport par pipeline, ainsi que par camion-citerne, camion ou rail, exige généralement que l’hydrogène soit comprimé ou liquéfié. La compression ou la liquéfaction nécessite de l’énergie qui, selon la source de production d’énergie, peut affecter l’intensité globale en carbone de l’hydrogène. Alors que le transport par pipeline et par camion-citerne offre des économies d’échelle plus élevées, le transport par camion et par train augmente la flexibilité des points de livraison et de réception, et est moins limité par les défis potentiels en matière d’infrastructure.

Certaines entreprises explorent la conversion de l’hydrogène en produits chimiques porteurs d’hydrogène plus stables qui peuvent être transportés par des transporteurs de produits chimiques conventionnels. La conversion de l’hydrogène nécessite des installations et des technologies spécialisées.

Comment l’hydrogène peut-il être utilisé?

L’utilisation de l’hydrogène pour alimenter les véhicules, chauffer les bâtiments et produire de l’électricité a le potentiel de réduire considérablement les émissions de carbone.

La technologie des piles à combustible alimente actuellement les véhicules dans le monde entier. Bien que le coût de ces véhicules demeure élevé et qu’il n’y ait que quatre stations de ravitaillement en hydrogène au Canada (une à Québec et trois dans la région métropolitaine de Vancouver), le développement de l’infrastructure des véhicules électriques à pile à combustible (FCEV) progresse au Canada, notamment en Colombie-Britannique où la politique appuie le déploiement des stations de ravitaillement en hydrogène.

L’infrastructure et la technologie permettant d’utiliser de l’hydrogène pur comme seule source de chauffage des bâtiments ou de production d’électricité en sont à leurs débuts et sont considérées comme un objectif à plus long terme, mais avec un potentiel élevé de réduction des émissions de carbone.

Les projets pilotes vont de l’avant. Par exemple, à Leeds, au Royaume-Uni, un projet de chauffage résidentiel des maisons convertissant l’infrastructure de gaz naturel de la ville pour transporter 100% d’hydrogène a été proposé. Le projet pilote explore les impacts de la conversion de l’infrastructure existante pour l’utilisation de l’hydrogène dans le but de soutenir une conversion nationale à long terme des réseaux de gaz naturel pour transporter de l’hydrogène. De même, aux Pays-Bas, il y a un projet pilote à Rotterdam pour le chauffage résidentiel à l’aide d’hydrogène qui est produit dans le cadre d’un projet de production d’électricité au gaz, ou P2G (voir ci-dessous).

Une utilisation plus immédiatement techniquement réalisable de l’hydrogène consiste à le mélanger avec les carburants existants pour réduire les émissions de carbone, notamment lorsque la décarbonisation pourrait autrement être difficile, comme le chauffage des bâtiments. L’hydrogène peut être mélangé au gaz naturel à de faibles concentrations et déployé dans l’ensemble du réseau de gaz naturel existant, réduisant ainsi les émissions de carbone dans toutes les utilisations actuelles, des utilisations commerciales à grande échelle aux appareils ménagers.

L’injection d’hydrogène dans les réseaux de gaz existants est une caractéristique notable de la stratégie nationale néerlandaise sur l’hydrogène, qui vise à créer un réseau régional européen de transport de l’hydrogène en utilisant l’infrastructure de gaz naturel existante. Au Canada, ATCO Ltd. a récemment annoncé un projet qui devrait être construit l’an prochain dans la région industrielle de Heartland en Alberta, qui mélangera de l’hydrogène dans une section du réseau de gaz naturel existant, principalement pour le chauffage des bâtiments.

L’hydrogène peut également être utilisé pour stocker l’électricité via P2G. Un inconvénient de l’énergie éolienne et solaire est que la production ne coïncide pas toujours avec la demande de pointe. Cependant, en connectant la production d’énergie renouvelable aux électrolyseurs, l’excès d’électricité pourrait être converti en hydrogène, qui peut ensuite être consommé pour produire de l’électricité en cas de besoin. Bien que l’utilisation de l’hydrogène comme mécanisme de stockage de l’électricité en soit à ses débuts, le P2G illustre le vaste potentiel de l’économie de l’hydrogène.

Comme on l’a noté plus haut, le P2G est actuellement poursuivi aux Pays-Bas. Un partenariat entre Gasunie (un opérateur de réseau gazier néerlandais), Shell et Groningen Seaports (un opérateur portuaire), prévoit d’utiliser une plate-forme éolienne offshore associée à un électrolyseur pour produire de l’hydrogène vert au large, qu’elle espère ensuite utiliser pour le chauffage résidentiel. La production d’hydrogène à l’étranger réduit les coûts coûteux de construction des câbles électriques sous-marins et élimine les pertes de transmission.

La production d’hydrogène gris à partir de gaz naturel est actuellement la méthode la moins coûteuse de production d’hydrogène, tandis que la production d’hydrogène vert devrait diminuer en coût et constituer un pourcentage croissant de la production d’hydrogène à l’avenir. Le Canada a de nombreuses possibilités de production d’hydrogène dans les deux cas, et d’importantes infrastructures existantes qui pourraient être adaptées à l’économie de l’hydrogène. La région industrielle de Heartland, en Alberta, produit déjà de l’hydrogène gris à partir de gaz naturel et dispose d’un réseau de pipelines d’hydrogène dans le sol. Alors que la course mondiale au développement des économies de l’hydrogène commence sérieusement, l’exportation d’hydrogène pourrait également s’avérer précieuse pour le Canada alors que l’économie mondiale fait la transition vers des sources d’énergie à faible intensité de carbone et que des chaînes d’approvisionnement internationales en hydrogène sont établies. Le Japon, la Corée du Sud et l’Allemagne, par exemple, ont indiqué dans leurs stratégies nationales la nécessité d’importer de l’hydrogène.

Points à retenir

Le Groupe de travail sur l’hydrogène industriel heartland du Canada et de l’Alberta publiera bientôt ses stratégies de développement des économies de l’hydrogène, qui comprennent la production, le transport et l’utilisation finale (ou en amont, au milieu et en aval). Le Canada est bien placé pour développer des chaînes d’approvisionnement nationales en hydrogène, réduisant ainsi les émissions de carbone au pays, tout en explorant les possibilités d’exportation internationales. À court terme, l’infrastructure existante et la production d’hydrogène gris peuvent relancer l’économie de l’hydrogène du Canada. L’expansion de l’infrastructure et les développements législatifs et réglementaires peuvent soutenir davantage cette nouvelle économie énergétique.

Notre Energy and Les équipes de régulation sont activement engagées dans le développement de l’hydrogène. Si vous avez un projet ou êtes intéressé par un projet dans la nouvelle économie de l’énergie, s’il vous plaît contactez-nous.

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