Ariel Martín Pérez

Trains à hydrogène,
l’avenir du rail ?

Gaz non polluant et non toxique, l’hydrogène présente toutes les qualités nécessaires pour verdir l’industrie et les transports, à commencer par les trains. Mais ce gaz n’existant pas à l’état pur, son exploitation impose d’utiliser des technologies souvent onéreuses, notamment dans le cas des procédés décarbonés. Une véritable filière voit le jour tant en France qu’en Europe.

Depuis quelques années, l’hydrogène fait l’objet d’un intérêt croissant. La raison ? Grâce à ses caractéristiques en matière de stockage et sa capacité à être facilement transformé en électricité, ce gaz joue un rôle majeur dans la décarbonation des industries les plus émettrices de gaz carbonique (CO2) et dans l’électrification de la mobilité. Tous les acteurs du transport lourd (autobus, camions, bateaux, avions) mènent des projets d’électrification par hydrogène, mais ceux qui concernent les trains sont sans conteste les plus avancés.

Après l’Allemagne, où une ligne commerciale passe au 100 % hydrogène, plusieurs pays européens envisagent d’adopter cette technologie sur une ou plusieurs lignes. L’hydrogène, H2 de son petit nom, non polluant et non toxique, n’est pas une énergie à proprement parler. Sa particularité est qu’il n’existe pas ou très peu à l’état naturel. En revanche, on le trouve en grande quantité combiné à d’autres éléments, notamment le carbone dans les hydrocarbures, mais aussi dans l’eau, puisqu’un atome d’oxygène combiné à deux atomes d’hydrogène donne une molécule d’eau – la fameuse formule H2O !

Des sources naturelles d’hydrogène ont été récemment découvertes, mais leur exploitation ne serait pas rentable avant très longtemps. Le gaz doit donc être produit par réaction chimique, selon des procédés qui nécessitent de l’électricité. L’hydrogène est exploité par l’industrie depuis des décennies – dans le raffinage du pétrole pour abaisser le taux de soufre dans les carburants, pour la production d’ammoniac, qui entre dans la fabrication de différents engrais, ainsi qu’en chimie et en métallurgie.

Il existe différentes méthodes de production. Le vaporeformage de gaz naturel consiste à faire réagir des hydrocarbures, principalement du méthane, avec de la vapeur d’eau, ce qui produit de l’hydrogène et du CO2. Cette technologie est la plus utilisée, car la moins chère. Le coût du kilogramme d’hydrogène produit varie entre 1,5 et 2 euros. Si le CO2 émis par le processus est capté pour être soit stocké soit réutilisé, l’hydrogène est alors dit bas carbone ; si le méthane est remplacé par du biométhane, on parle alors d’hydrogène décarboné. La gazéification par combustion de charbon produit également de l’hydrogène à un coût compétitif, mais le procédé est particulièrement émetteur de CO2.

L’hydrogène vert

En fait, la vraie voie de la décarbonation est l’électrolyse de l’eau à partir d’énergie renouvelable. Cette méthode n’a besoin que d’eau et d’électricité et elle n’émet pas de CO2. Un électrolyseur sépare les molécules d’eau (H2O) en oxygène (O) et en hydrogène (H2). Simple dans son principe, la méthode est jusqu’à quatre fois plus chère que le reformage. Cela est dû au coût d’un électrolyseur – environ 1 million d’euros actuellement.

Trains à hydrogène avenir du rail - the good life

En conséquence, ce procédé ne représente – pour l’instant – que 6 % de l’hydrogène produit en France. Une fois produit, l’hydrogène est comprimé pour être stocké et éventuellement transporté. Il peut être ensuite utilisé soit sous forme de chaleur, par combustion avec de l’oxygène, soit transformé en énergie, en électricité directement utilisable, à l’aide d’une pile à combustible. Schématiquement, en mettant l’hydrogène et l’oxygène en contact, la pile produit de l’électricité, de la chaleur et de l’eau !

Les trains en tête de la conversion à l’hydrogène

On comprend l’engouement de la planète entière pour ce mode de production d’énergie, qui présente de nombreux avantages. Respectueux de l’environnement, l’hydrogène vert pourrait être utilisé pour décarboner les industries lourdes que sont les aciéries, les cimenteries, etc., où il remplacerait les énergies fossiles fortement émettrices de carbone utilisées actuellement.

Mais ce sont surtout les transports qui suscitent de grands espoirs. La conversion à l’hydrogène des transports terrestres de passagers et de marchandises – trains, camions et bus – a déjà commencé. Celle des navires et des avions, actuellement objet de travaux de recherche et de projets pilotes, progresse rapidement.

Au chapitre des avantages, les enjeux économiques figurent en bonne place. Soutenus par la « Stratégie pour le développement de l’hydrogène décarboné » lancée par le gouvernement en 2020 et pourvue d’un financement de 9,1 milliards d’euros, les acteurs du secteur se mobilisent et s’organisent en filière. Les projets de création d’usines d’électrolyseurs, de piles à combustibles, de réservoirs, de réseaux de transport ou de stations de recharge se multiplient. De quoi atteindre les objectifs de la Commission européenne, qui prévoyait que la part de l’hydrogène dans le mix énergétique de l’Union passerait de 2 % en 2018 à près de 15 % d’ici à 2050.

Du « gris » au « vert »

Selon la méthode de production, la nature de l’électricité utilisée pour le produire et les émissions de carbone du procédé, l’hydrogène est dit :

  • brun / noir / gris : vaporeformage de gaz ; énergie produite par, respectivement, de la lignite, du charbon et du méthane ; méthode fortement émettrice de carbone, sans captage du CO2.
  • bleu : vaporeformage ; énergie produite par des hydrocarbures (charbon, pétrole, gaz) ; captage et stockage du CO2.
  • vert : électrolyse ; énergies renouvelables.
  • rose : électrolyse ; énergie nucléaire.
  • jaune : électrolyse ; énergie solaire.