La recherche française se fédère pour répondre aux défis de l’hydrogène

L’hydrogène est l’élément le plus simple, le plus léger et le plus répandu sur la planète. Mieux encore, il peut être exploité sous forme d’énergie propre en l’associant avec de l’oxygène pour produire de l’électricité dans une pile à combustible. Le tout ne dégageant que de l’eau et pas un seul gramme de carbone. Si l’invention de la pile à combustible date de 1839, le marché de l’hydrogène peine toujours à décoller, atteignant aujourd’hui une production de 60 millions de tonnes par an. Hormis la concurrence du prix faible des énergies fossiles et la complexité et mise en place des technologies de piles à combustible, le stockage et transport de l’hydrogène freine aussi son adoption par de nombreux secteurs industriels.

De plus, il reste un enjeu de taille : si l’hydrogène est un consommable « propre », il ne l’est pas forcément dans sa phase de production. Loin de là. Aujourd’hui, 95 % de sa production mondiale se fait à partir d’énergies fossiles (gaz naturel, pétrole)1 . Pour un hydrogène décarboné2 - dit « vert », il faut le produire par électrolyse3 , qui avec les technologies existantes le rend 4 fois plus cher que ses concurrents fossiles. Ce sont ces nombreux défis que la Fédération Hydrogène du CNRS (FRH2), lancée officiellement cette semaine, compte bien relever pour permettre à cette « énergie du futur » de devenir un élément clé de la transition énergétique.

« Prévoir le système du régime énergétique de l’hydrogène d’ici 20 ans » 

Créée il y a un an le 1^er janvier 2020, la Fédération rassemble plus de 270 chercheurs, enseignants chercheurs et ingénieurs du CNRS au sein de 28 laboratoires engagés dans le domaine de l’hydrogène4 . « Il s’agit d’affirmer la place du CNRS comme acteur incontournable de la R&D sur l’hydrogène au niveau international », explique son directeur Olivier Joubert, directeur de la Fédération Hydrogène et chercheur à l’Institut de matériaux Jean Rouxel5 . Objectif principal :  coordonner les efforts de recherche de ces nombreuses équipes sur les grands enjeux de l’hydrogène décarboné, allant de sa production, à sa purification, à son stockage, en passant par la production de systèmes pour son utilisation comme les piles à combustible. « Il faut faciliter la diffusion des connaissances sur la recherche actuelle à travers les échanges et les collaborations aussi bien en interne, qu’avec nos partenaires industriels et historiques - par exemple le CEA. L’objectif est d'améliorer les systèmes actuels pour qu'ils soient plus durables, robustes et moins couteux, mais aussi de de prévoir le système sur lequel se basera le régime énergétique de l’hydrogène d’ici 15 à 20 ans ! », il rajoute.

Un plan national sur l’hydrogène décarboné

Si la communauté de la recherche sur l’hydrogène a commencé à se fédérer il y a plus de vingt ans sous la forme de Groupements de recherche (GdR) successifs6 , la naissance de FRH2 est due à « l’alignement des planètes », notamment avec des poids lourds de l’industrie tels que Michelin, Air Liquide, EDF souhaitant s’engager pleinement sur l’hydrogène. « C’est important », souligne Olivier Joubert, car « si nous ne montons pas dans le train hydrogène maintenant, nous allons le perdre et d’autres pays en prendrons la tête. »

C’est pour accompagner cet intérêt mondial sur l’hydrogène que le gouvernement français a imaginé le Plan national sur l’Hydrogène financé à hauteur de 7,2 milliards d’euros et présenté le 9 septembre dernier par la ministre de la Transition écologique, Barbara Pompili et le ministre de l’Économie, des Finances et de la Relance, Bruno Le Maire. Un plan dessiné en trois volets : le premier pour décarboner l’industrie en faisant émerger une filière française de l’électrolyse; le second pour développer une mobilité lourde à hydrogène décarboné et le troisième pour soutenir la recherche, l’innovation et le développement de compétences afin de favoriser les usages de demain. « Ce troisième volet se décline sous la forme d’un Programme et équipements prioritaires de recherche (PEPR) sur l’hydrogène », explique Abdelilah Slaoui, pilote scientifique pour le CNRS du PEPR (voir encadré) et Responsable de le cellule énergie du CNRS7 .

Les enjeux de l’hydrogène

Car il faut décarboner l’industrie de l’hydrogène, « mais également la développer », souligne Olivier Joubert. En ce qui concerne par exemple la production d’hydrogène vert : elle peut être « accélérée par le développement de nouvelles technologies d’électrolyseurs plus performants » ou « en faisant davantage appel aux sources d’énergies renouvelables type éoliens/solaires/hydrauliques ou encore au nucléaire », dont la France est équipée.

Un avis que partage Abdelilah Slaoui : « Les technologies d’électrolyseurs actuelles ne sont pas assez développées pour produire de l’hydrogène vert. » S’il indique que « leurs rendements doivent être améliorés », il pointe également l’ensemble de la chaîne hydrogène à développer. Les constituants doivent également être « efficaces, accessibles, durables et encore mieux bio-sourcés. » Car aujourd’hui, la production d’hydrogène vert coûte 4 fois plus cher que celui produit avec des énergies fossiles—appelé hydrogène « gris ».  Il faut donc « améliorer le coût, la durée et la robustesse » des technologies de l’hydrogène vert, mais assurer aussi que la filière industrielle soit « prête à produire en grande quantité ces nouvelles technologies pour favoriser leur déploiement dans l’industrie », indique Olivier Joubert soulignant que la Fédération accompagnera la filière industrielle dans les domaines de la mobilité par l’énergie électrique des batteries et de l’énergie décarbonée, dans le cadre du Plan national sur l’hydrogène du gouvernement.

Production, stockage, mobilité

Le spectre très large des expertises des chercheurs de la Fédération permettra d’aborder des enjeux de recherche sur l’hydrogène allant de la synthèse et la caractérisation de matériaux au diagnostic système en passant par de la modélisation multi-échelle. La Fédération a délimité quatre axes principaux de recherche. Le premier concerne la production de l’hydrogène et s’intéresse par exemple aux électrolyseurs haute température permettant « d’obtenir des rendements très élevés et de diminuer le coût énergétique », explique Olivier Joubert. « Cela permettrait alors d’obtenir un coût d’hydrogène vert équivalent à ceux de l’hydrogène gris. » Le deuxième concerne le stockage, « séparé en deux grands types » : sous forme gazeuse avec un réservoir au sein duquel « le carbone reste énormément présent et qu’il faut diminuer » et sous forme solide « avec un hydrogène beaucoup plus stable ». Les troisièmes et quatrièmes axes concernent les usages en mobilité et les usages stationnaires. « La voiture à hydrogène de Toyota a une pile à combustible contenant 40g de platine - ce qui explique entre autre son prix actuel. » Pour obtenir un coût raisonnable, « il faudrait diviser par 3 ou par 4 cette teneur en platine ! Mais ce faisant, il faut réussir à préserver les performances de la voiture », pointe Olivier Joubert.

Vers un Groupement d’intérêt scientifique

Par la création de la Fédération Hydrogène, le CNRS a souhaité se recentrer sur le noyau actif des laboratoires du CNRS. Pour autant, les anciens collaborateurs de l’ancien GdR « HySPàC » - les laboratoires du CEA et les laboratoires industriels – ont toutes leurs places. « A l’époque, le GdR regroupait 73 laboratoires. Cela donnait lieu à de grandes réunions composées de centaines de participants, et nous souhaitons préserver cette dynamique », conclut Olivier Joubert. C’est dans cet intérêt que le CNRS via la Cellule Energie prépare actuellement le montage d’un Groupement d’intérêt scientifique (GIS) intitulé « Initiative Française sur l’hydrogène, IFHy », rassemblant à ce stade ses anciens partenaires, le CEA et un club d’industriels.

• 1Le procédé le plus courant de fabrication de l'hydrogène est le "reformage" du gaz naturel par de la vapeur d'eau surchauffée, dissociant les atomes carbonés (C) du méthane (CH4) pour obtenir du dihydrogène (H2) et et accessoirement du dioxyde de carbone (CO2).
• 2Un hydrogène produit sans les énergies fossiles.
• 3L'électrolyse de l'eau est un procédé électrolytique qui décompose l'eau (H2O) en dioxygène et dihydrogène gazeux grâce à un courant électrique. Ce courant électrique peut provenir d’énergies renouvelables pour produire de l’hydrogène entièrement décarbonné.
• 4La Fédération représente 80% des recherches sur l’hydrogène au CNRS. Elle ne traite pas de l’hydrogène naturel, de la production d’hydrogène par les bactéries et la biomasse, ni de la photoproduction et la photocatalyse qui sont couverts par un GdR spécifique.
• 5CNRS/Université de Nantes.
• 6Rassemblant les spécialistes des piles à combustibles à oxydes solides, de piles à membranes polymères échangeuses de proton, du stockage de l’hydrogène et des systèmes, au dernier GdR en date HySPàc (Hydrogène Systèmes et Piles à combustibles), dirigé par Olivier Joubert.
• 7Créée en 2021, la cellule Energie du CNRS a pour mission principale est d’animer des actions en vue de l’émergence d’une Stratégie scientifique du CNRS dans le domaine de l’énergie. La cellule a notamment aidé la communauté Hydrogène à se structurer en fédération et participe à l’initiative du Groupement d’intérêt scientifique sur l’hydrogène avec le CEA et l’industrie.