La recette de l’hydrogène vert

Une énorme sphère blanche trône sur d’imposants piliers. Au cœur de ce réservoir, situé dans l’arrière-cour des installations d’Air Liquide à Bécancour, dans le Centre-du-Québec, se trouvent jusqu’à 70 tonnes d’un gaz liquéfié, incolore, inodore et pressenti pour jouer un rôle crucial dans la transition énergétique : l’hydrogène.

Le plus petit atome de l’Univers est partout et nulle part à la fois. Il est constitutif de l’eau, de l’huile, du pétrole, de nos corps. Toutefois, à l’état pur, sa légèreté est insoutenable pour la gravité de notre planète, qui ne peut l’empêcher de voguer vers l’infini et plus loin encore.
 

Autant dire que pour disposer d’hydrogène, il faut le produire. « Pour faire de l’hydrogène, il faut de l’énergie — et il en faut beaucoup —, car il faut casser une molécule d’eau », lance Bertrand Masselot, le p.-d.g. d’Air Liquide Canada, en désignant de gros câbles électriques qui alimentent les installations bécancouroises de la multinationale française.

L’hydrogène « vert », produit à partir d’énergie renouvelable, suscite actuellement un engouement mondial. Ce combustible propre nourrit le rêve d’un monde alimenté par une molécule semblable aux hydrocarbures fossiles, mais carboneutre. Aucune nouvelle énergie n’est à la clé de ce dessein : on parle plutôt d’un nouveau « vecteur » pour l’électricité dont on dispose déjà.

Actuellement, 90 millions de tonnes d’hydrogène sont produites chaque année dans le monde. Il n’est toutefois pas ici question d’hydrogène vert : la majorité de cette production est générée à partir de combustibles fossiles subissant une transformation chimique qui libère du CO₂. Cet hydrogène « gris », très abordable, surtout utilisé pour le raffinage de pétrole et la production d’engrais, compte pour près de 2 % des émissions mondiales de gaz à effet de serre.

Électrolyse 101

 

L’hydrogène vert est peut-être dans l’air du temps, mais le principe sous-jacent à sa production — « l’électrolyse de l’eau » — est connu des scientifiques depuis des siècles, rappelle Pierre Bénard, directeur de l’Institut de recherche sur l’hydrogène de l’Université du Québec à Trois-Rivières.

Grosso modo, il s’agit d’immerger deux électrodes dans l’eau et d’y faire passer un courant électrique. À la cathode, des électrons brisent des molécules d’eau (H₂O) et se combinent avec les protons (H⁺) pour faire de l’hydrogène gazeux (H₂) et des ions OH^-. À l’anode, les ions OH^- génèrent de l’oxygène gazeux (O₂), de l’eau et donnent leurs électrons.

Les procédés conventionnels d’électrolyse impliquent l’ajout dans l’eau d’un métal alcalin, comme du sodium ou du potassium, afin d’accélérer la réaction électrochimique en rendant disponibles davantage d’ions OH^- dans la solution aqueuse. D’autres technologies plus récentes, comme l’électrolyse à membrane échangeuse de protons (PEM, selon l’acronyme anglais), ne requièrent pas ces métaux alcalins.

Dans l’usine immaculée de Bécancour, de gros cubes vitrés abritent les électrolyseurs PEM flambant neufs d’Air Liquide. Ces derniers, démarrés fin 2020, produisent désormais huit tonnes d’hydrogène par jour. « Encore aujourd’hui, nous avons ici la plus grande capacité d’électrolyse PEM au monde », dit M. Masselot, en soulignant que d’autres projets détrôneront le sien sous peu.

Une impressionnante plomberie alimente ces machines en eau pure, complètement débarrassée de ses minéraux grâce à une série de filtres. Les électrolyseurs PEM comportent plusieurs avantages par rapport aux électrolyseurs alcalins : ils sont plus compacts, produisent de l’hydrogène sans impureté, s’adaptent sans problème aux variations de courant dans l’alimentation et ne nécessitent aucun produit chimique. Ils sont cependant plus chers, notamment parce que leurs électrodes contiennent des métaux comme de l’iridium et du platine.

Grande densité en énergie

 

À part le bruit des pompes en marche, un calme étonnant règne dans la salle des machines. La production, complètement automatisée, ne demande que très peu de main-d’œuvre. L’hydrogène, discret, sort des électrolyseurs dans un tuyau métallique qui le transporte vers une série de réfrigérateurs. Ceux-ci abaissent sa température en deçà de 253 °C au-dessous de zéro afin de le liquéfier — et consomment au passage encore davantage d’électricité.

Sous toutes ses formes, l’hydrogène est phénoménalement léger. À pression atmosphérique, il est sept fois moins dense que le gaz naturel. Liquéfié, il est dix fois moins dense que l’essence. L’hydrogène est donc encombrant. Toutefois, sa force réside dans sa grande densité en énergie. « Par kilogramme, il contient beaucoup d’énergie chimique : trois fois plus que les carburants fossiles », relève le professeur Bénard.

Sur le plan de la sécurité, l’hydrogène n’est pas fondamentalement plus dangereux que les combustibles fossiles. En cas de fuite, une plus petite étincelle peut déclencher l’inflammation, mais, du fait de sa faible densité, l’hydrogène monte très vite vers le ciel, ce qui limite les risques. « Dans le cas d’un accident de la route, l’hydrogène va se dissiper très rapidement, explique M. Bénard. Alors qu’avec de l’essence, le carburant reste au sol et peut alimenter un incendie. »

Dans la cour de l’usine de Bécancour, un camion semi-remorque patiente pendant son remplissage depuis la grande sphère blanche où reposent les stocks d’hydrogène. Sorte de gros thermos sur roues, il peut contenir jusqu’à quatre tonnes d’hydrogène liquéfié. Les camions qui passent par ici livrent leur butin à des clients canadiens ou américains du secteur de l’électronique, de l’acier, du traitement thermique, de la chimie, de la mobilité, etc.

Le patron d’Air Liquide le confirme : il n’a pas de mal à trouver preneur pour son hydrogène vert — un produit considéré comme « haut de gamme » pour l’instant — auprès de clients industriels. « Il y a toute une évolution qui est en cours, dit M. Masselot. Très sincèrement, on ne voyait pas ça il y a deux ans. Et à l’heure où nous nous parlons, l’accélération se poursuit. »