L'hydrogène : un pilier pour l'industrie et la mobilité de demain

Ces dernières années, de nombreux pays ont adopté l'hydrogène comme moyen d'aligner leurs ambitions industrielles sur la nécessité d'une transition énergétique. En effet, de nombreuses industries reposent encore sur des processus à forte intensité énergétique et à fortes émissions de carbone. L'hydrogène offre une alternative prometteuse, en remplaçant certains combustibles fossiles ou réactifs à base de carbone, contribuant ainsi à réduire l'empreinte carbone d'un certain nombre d'activités industrielles.

L'hydrogène présente également un fort potentiel dans le secteur de la mobilité. En effet, il n'émet principalement que de l'eau lors de son utilisation et, en cas de combustion directe, seulement une faible quantité de NOx (oxydes d'azote), similaire à ceux déjà traités sur les voitures conventionnelles. Dans tous les cas, il n'émet plus de carbone. De plus, sa densité énergétique élevée confère aux voitures à hydrogènes une plus grande autonomie que les autres systèmes de propulsion alternatifs, tels que les véhicules entièrement électriques.

Aujourd'hui, le marché de l'hydrogène connaît des changements majeurs, visant à identifier non seulement les méthodes de production les plus sobres en carbone, mais aussi les applications les plus évolutives. L'objectif est d'optimiser cette solution afin de la rendre encore plus pertinente pour une utilisation à grande échelle.

Comment produit-on de l'hydrogène ?

Pour que l'hydrogène réponde aux enjeux de la transition énergétique, son mode de production doit évoluer. À l'heure actuelle, la majeure partie de l'hydrogène produit dans le monde provient du vaporeformage du méthane, un procédé qui émet des quantités importantes de carbone. On parle alors d'hydrogène gris. L'avenir de l'hydrogène repose donc sur une production à faible teneur en carbone c'est-à-dire par l'électrolyse de l'eau non plus à partir de d'énergie carbonée mais à partir de sources renouvelables telles que le vent ou le soleil. Une production qui reste aujourd'hui marginale.

Pour donner un sens réel à la mobilité hydrogène, la question de la production est le point de départ. Être capable de produire de l'hydrogène à faible teneur en carbone est essentiel pour permettre la transition énergétique dans de nombreux secteurs. »

Jean-Paul Moulin , directeur des sciences des matériaux

L'enjeu du développement de l'hydrogène vert

Pour avoir un impact énergétique véritablement positif, l'hydrogène gris doit être progressivement remplacé par son équivalent à faible teneur en carbone.

Les chiffres témoignent de la nécessité de cette transition. L'hydrogène vert bas carbone progresse : les décisions finales d'investissement (FID) ont déjà doublé d'ici 2023, portant la capacité de production totale prévue à 3,4 millions de tonnes par an . Cela reste toutefois insuffisant pour répondre à la demande croissante, avec plus de 97 millions de tonnes utilisées dans le monde la même année. De plus, l'hydrogène issu de sources à faibles émissions représente moins de 1 % de cette consommation totale.

Au niveau mondial, la dynamique de production d'hydrogène varie considérablement. L'Asie est le leader mondial dans ce domaine. La Chine, en particulier, bénéficie d'une industrie bien établie et d'une grande capacité logistique. Elle est donc le plus grand producteur d'hydrogène, avec plus de 30 millions de tonnes produites chaque année, encore principalement à partir de procédés basés sur le carbone. L'Europe et les États-Unis sont également actifs et investissent dans la production d'hydrogène à faible teneur en carbone. En Europe, par exemple, la capacité installée d'électrolyseurs a atteint 385 MW en septembre 2024.

En résumé, la question de la production d'hydrogène à faible teneur en carbone est un enjeu crucial à l'échelle mondiale. Dans le même temps, le marché lui-même se segmente de plus en plus, l'accent étant mis sur l'identification des applications de l'hydrogène les plus prometteuses.

L'hydrogène pour la mobilité lourde décarbonée

Le marché de la mobilité hydrogène s'oriente désormais vers une plus grande rationalisation. Les efforts se concentrent en effet progressivement sur les applications pour la mobilité lourde. Comme mentionné précédemment, l'hydrogène possède une grande quantité d'énergie par unité de masse. Cependant, sa densité énergétique volumétrique est beaucoup plus faible, ce qui signifie qu'il doit être comprimé ou liquéfié pour être stocké dans des volumes raisonnables. Ces caractéristiques rendent l'hydrogène particulièrement adapté à une utilisation intensive et au transport sur de longues distances, où les contraintes d'espace sont moins importantes. Il s'agit donc d'une solution très complémentaire à la mobilité électrique.

La mobilité hydrogène en est encore globalement à un stade expérimental. À titre d'exemple, les camions lourds à hydrogène ne représentaient que 0,3 % des ventes mondiales en 2024. « Notre objectif est de soutenir cette dynamique et d'apporter des solutions aux défis auxquels le marché est confronté »

Thomas Fine, Global Business Development Hydrogen Manager

Bien que les projections concernant la mobilité hydrogène restent incertaines, celle-ci reste un thème central de la transition énergétique. En d'autres termes, l'hydrogène est une voie prometteuse, mais qui nécessite d'importants investissements en R&D et en infrastructures pour atteindre sa maturité et se développer à grande échelle. Son déploiement prendra inévitablement du temps.

L'enjeu de la sécurité et du stockage de l'hydrogène

Au-delà de la production, l'hydrogène présente également des défis directement liés à ses propriétés physiques. C'est un gaz à la fois très volatil et inflammable. La sécurité et le stockage sont donc des enjeux cruciaux : les matériaux utilisés pour transporter l'hydrogène doivent être suffisamment robustes pour résister à des conditions extrêmes. De plus, leur intégrité structurelle doit être régulièrement contrôlée afin de détecter d'éventuelles faiblesses et de prévenir les fuites.

La viabilité économique est également une préoccupation majeure. Les électrolyseurs utilisés pour produire de l'hydrogène à faible teneur en carbone sont coûteux et ne sont pas encore largement déployés à l'échelle mondiale. Le coût de construction d'un véhicule à hydrogène est également élevé, en raison des technologies de pointe qu'il nécessite, telles que le réservoir de stockage et la pile à combustible. Il appartient donc à des acteurs tels qu'Arkema de développer des solutions permettant de gagner en performance et, à terme, de réduire les coûts.

Enfin, la recyclabilité apparaît comme un enjeu majeur. Les systèmes de gestion de l'hydrogène, tels que les réservoirs de stockage, sont actuellement coûteux car ils reposent sur des matériaux hautement performants, notamment la fibre de carbone. L'intégration de matériaux recyclables permettrait de récupérer de la valeur en fin de vie, de réduire le coût global du système et d'améliorer sa viabilité économique à long terme. Cet exemple montre que, dans certains cas, la recyclabilité et les coûts sont étroitement liés.

L'offre d'Arkema pour la production de l'hydrogène à son utilisation

Dès la phase de production, les polymères haute performance d'Arkema peuvent être utilisés dans les tuyaux et les connecteurs des unités d'électrolyse. Leur excellente résistance thermique, mécanique et chimique en fait des atouts précieux pour prolonger la durée de vie de ces systèmes.

« Plus en amont dans la chaîne de production, les tamis moléculaires sont un autre élément clé de cette chaîne de valeur », explique Thomas Fine. « Ils sont utilisés pour sécher et purifier l'hydrogène produit par électrolyse ».

Pour améliorer les performances de cette étape, Arkema a développé la gamme de tamis moléculaires Siliporite^®H2SIEV. Leur grande capacité permet un séchage rapide de l'hydrogène, tandis que leur haute densité permet de réduire la taille des unités et donc l'encombrement, ce qui rend cette étape plus efficace et plus rentable. Enfin, les matériaux du Groupe contribuent également à rendre le transport de l'hydrogène plus sûr. À la sortie de l'usine, par exemple, le mélange Spotleak^®est utilisé pour odoriser l'hydrogène, ce qui facilite sa détection en cas de fuite.

Enfin, la résine thermoplastique Elium^® peut être utilisée pour l'enveloppe en composite de fibres de carbone des réservoirs haute pression d'hydrogène, capables de résister à une pression de 700 bars. Ce matériau offre une alternative durable aux résines époxy traditionnelles, avec un avantage majeur en termes de recyclabilité. Contrairement aux résines thermodurcissables comme l'époxy, cette alternative thermoplastique permet de récupérer les fibres de carbone et la résine par dépolymérisation à température modérée.

Mais les solutions d'Arkema pour la mobilité hydrogène vont encore plus loin ! Des rubans intelligents avec capteurs piézoélectriques pour surveiller les performances des réservoirs aux rubans UDX^® ultra-résistants et légers pour les réservoirs sous pression en composite, découvrez nos innovations dans cette vidéo tournée lors du dernier salon JEC Group Composites.

Préparer l'avenir de l'énergie

À l'avenir, Arkema continuera à accompagner la transformation du marché et à rechercher des solutions innovantes pour relever les défis actuels. À cet égard, le renforcement du secteur de l'hydrogène bas carbone, dans lequel le Groupe a une grande confiance, reste un axe prioritaire.

« À l'avenir, ce qui nous semble le plus réaliste est une segmentation plus prononcée du marché en faveur des mobilités énergivores comme les camions ou les véhicules utilitaires légers », conclut Jean-Paul Moulin. « Il appartient à Arkema de relever ces défis à court terme tout en continuant à identifier les domaines dans lesquels nous pouvons le mieux accompagner la transition énergétique. »

Au-delà de la mobilité routière, l'aviation et le transport maritime sont également des secteurs où l'hydrogène et ses dérivés pourraient présenter un fort potentiel. Il s'agit de deux marchés de la mobilité à forte intensité énergétique, avec une consommation de carburant élevée et des émissions de carbone importantes. Cependant, ces applications soulèvent des questions cruciales, notamment en matière de capacité de production et de disponibilité de l'hydrogène. Répondre à cette demande à grande échelle nécessitera un développement majeur des infrastructures, un défi majeur pour les années à venir.