Quel est l’impact climatique de l’hydrogène ? Une étude (non soumise à la relecture par les pairs) publiée le 8 avril par le département britannique de l’Economie, de l’Énergie et de la Stratégie industrielle (BEIS) fait grand bruit : les scientifiques de l’Université de Reading se sont penchés sur les « conséquences sur l’atmosphère d’une utilisation accrue d’hydrogène » (« Atmospheric implications of increased hydrogen use »), comme ce sera le cas avec le déploiement de la filière hydrogène. D'après leurs résultats, la molécule de dihydrogène aurait un pouvoir réchauffant deux fois élevé que ce qui était considéré jusqu’ici. Faut-il s’en inquiéter ? Réponses avec Didier Hauglustaine, directeur de recherche au laboratoire des Sciences du Climat et de l'Environnement (LSCE) du CNRS, spécialiste de la question.
Industrie & Technologies : L’étude britannique estime que le pouvoir réchauffant global (PRG) du dihydrogène (H2) serait à hauteur de 11 (sur une base de 100 ans). Comment sont-ils parvenus à ces résultats ?
Didier Hauglustaine : Les collègues anglais ont calculés le PRG de l’hydrogène, une valeur qui prend en compte à la fois les propriétés radiatives du gaz et l’aspect temporel (en général, 100 ans). Ils ont montré que si on émet un kilogramme d’H2 dans l’atmosphère, cela équivaut à émettre 11 kilogrammes de CO2. C’est un travail sérieux, qui utilise des modèles de chimie atmosphérique bien connus. Il est probablement en cours de relecture par les pairs pour publication dans une revue scientifique.
Un modèle atmosphérique ? Il n’est donc pas possible de calculer directement le PRG de l’hydrogène ?
L’hydrogène est un gaz à effet de serre indirect, c’est-à-dire qu’il n’absorbe pas directement le rayonnement infrarouge comme les gaz à effet de serre direct que sont le méthane (CH4) ou le dioxyde de carbone (CO2). Cela s’explique par la symétrie de cette molécule composée par deux atomes d’hydrogène : dans l’infrarouge, le dihydrogène ne s’active pas, il n’y a pas de rotations, de vibration des atomes. Or, comme les effets sont indirects, nous devons passer par des modèles de chimie atmosphérique pour estimer le forçage radiatif de l’hydrogène. Ce qui ajoute forcément une incertitude sur la valeur.
Ces incertitudes expliquent sans doute que le PRG évalué dans l’étude britannique soit deux fois plus élevé que ce qui était estimé auparavant…
En effet. Le chercheur anglais Dick Derwent est le premier à s’être intéressé au forçage radiatif indirect de l’hydrogène, au début des années 2000. Sauf que le pouvoir réchauffant global a été calculé par M. Derwent à partir d’un modèle de chimie atmosphérique un peu ancien. Depuis, les modèles incluent des effets dans la stratosphère et les propriétés radiatives du méthane ont été revues à la hausse.
Rien de surprenant à ce qu’au lieu d’un PRG de 5, les collègues de l’Université de Reading trouvent une valeur de 11 ! De mon côté, je suis en train d’écrire un article – dont les résultats ont seulement été communiqués lors d’une conférence –, où je trouve un PRG de 13.
Comment l’hydrogène réchauffe-t-il (indirectement) le climat ?
Lorsqu'il est libéré dans l’atmosphère, il va s’oxyder en réagissant avec le radical hydroxyle (OH). Or, en réagissant avec H2… il y a moins de OH dans l’atmosphère pour détruire le méthane, CH4 [un puissant gaz à effet de serre, ndlr]. Et ainsi, le temps de vie de CH4 dans l’atmosphère augmente, ce qui contribue au réchauffement climatique. Cette préservation indirecte du méthane, c’est le mécanisme principal du pouvoir réchauffant d’H2 : elle représente à peu près la moitié cet effet indirect.
Quels sont les autres mécanismes indirects qui expliquent les autres 50 % du PRG de l’hydrogène ?
De manière plus marginale, H2 réagit aussi avec l’acide atmosphérique, ce qui produit un peu d’ozone troposphérique (un gaz à effet de serre). De plus, le méthane, dont la durée de vie dans l’atmosphère augmente avec la présence de molécules H2, produit lui-même de l’ozone et de la vapeur d’eau dans la stratosphère… des gaz qui ont aussi des propriétés radiatives. En fait, en changeant la concentration du méthane, de nombreux effets indirects apparaissent.
L’hydrogène fait pourtant partie des solutions mises en avant pour décarboner l’économie. Ces chiffes remettent-ils en question son bénéfice climatique ?
Ce que rappelle cette étude, et qu’il est important de garder à l’esprit, c’est que l’hydrogène n’est pas neutre pour le climat. Le point d’attention pour passer à une économie hydrogène, c’est la quantité d’hydrogène libérée dans l’atmosphère. À savoir, les fuites ! Celles-ci sont encore difficiles à estimer, mais les industriels penchent pour un taux de fuite autour de 1%.
Mais le passage à une économie hydrogène est toujours extrêmement bénéfique pour le climat ! Si nous étions censés bénéficier d’un abattement des émissions de CO2 en 2050 à hauteur de 6 milliards de tonnes grâce à l’économie hydrogène – comme l’indique le scénario de Hydrogen Council –, cette analyse pointe que le gain réel sera plutôt de 5,9 milliards de tonnes (ou un peu moins, ce sont des calculs à faire). L’abattement des émissions de CO2 reste conséquente.
À partir de quel taux de fuite le déploiement de la filière hydrogène deviendrait inutile ?
C’est dans l’article que je suis en train de travailler. Jusqu’à des taux de fuite de 15 %, une économie hydrogène reste avantageuse pour le climat. Sachant que 15%, c’est un taux de fuite irréaliste !
Au sein de cette filière hydrogène, les avions à hydrogène posent des problématiques climatiques spécifiques. Leur bénéfice climatique est-il avéré ?
Quand on brûle de l’hydrogène, le polluant généré est la vapeur d’eau. Or, dans la stratosphère, qui est une région sèche, la vapeur d’eau produite aura un effet de serre. De plus, cette vapeur d’eau risque de modifier la formation des traînées de condensation des avions… qui ont potentiellement un impact sur le climat très important. Il s’agit du principal point d’incertitude concernant le bénéfice climatique des avions à hydrogène.
Connaître précisément le PRG du dihydrogène est primordial pour accompagner le déploiement en cours de la filière hydrogène (et réglementer sur un taux de fuite maximum en fonction des technologies par exemple). Sur quoi continuez-vous à travailler pour fiabiliser cette estimation ?
Sur les modèles atmosphériques ! La grosse difficulté avec l’hydrogène, c’est de modéliser sa destruction au sol. Car la perte de l’hydrogène par les bactéries du sol représente environ 75% de la perte totale de l’hydrogène ! Or, il est difficile de modéliser les interactions entre l’hydrogène et les sols, qui dépendent de plusieurs paramètres (humidité, température, etc.)
Avec certains collègues britanniques qui signent l’étude dont nous avons parlé, nous travaillons sur un projet européen au sein duquel nous utilisons quatre à cinq modèles atmosphériques différents pour recalculer le PRG de l’hydrogène. Les résultats devraient paraître l’année prochaine.
