Comment assurer l’approvisionnement en eau nécessaire à la production d’hydrogène
23 janvier 2024
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L’hydrogène jouera un rôle clé dans la décarbonation de nos infrastructures énergétiques. Mais où trouver l’eau nécessaire à sa production?
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Par Nathan Ashcroft et Jillian Flanagan
La transition énergétique nécessitera plusieurs améliorations et modifications à nos infrastructures énergétiques. Il faut procéder à ces changements et trouver des solutions durables si l’on veut réduire les émissions de gaz à effet de serre (GES) et lutter contre les effets des changements climatiques.
La bonne nouvelle? En tant que chefs de file dans le domaine des eaux industrielles et de l’énergie, nous sommes déjà témoins des efforts importants pour décarboner les infrastructures énergétiques. Nous assistons à une intégration accrue des énergies renouvelables, comme les énergies éolienne, solaire et hydroélectrique. Nous constatons une augmentation des investissements dans des technologies de captage du carbone. Et nous notons une hausse des projets de modernisation des réseaux électriques de manière à fournir une énergie fiable aux collectivités qui en ont besoin.
Un autre axe de décarbonation est le développement de méthodes de production d’hydrogène. Pourquoi? Parce que l’hydrogène peut servir de carburant de rechange qui n’émet pas de GES lors de la combustion. Cette constatation a amené les experts du secteur à considérer l’hydrogène comme un moyen d’aider à réduire la dépendance à l’égard des combustibles fossiles et à faire avancer la transition énergétique.
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Quand il sera possible d’alimenter les maisons, les véhicules et même les avions avec de l’hydrogène propre, cela facilitera l’abandon progressif des sources d’énergie classiques comme le gaz naturel ou d’autres combustibles fossiles.
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Malgré de grands progrès dans la production d’hydrogène, l’industrie rencontre encore de nombreuses difficultés, dont l’une des plus grandes concerne l’eau. Pourquoi? Parce que la production d’hydrogène nécessite une grande quantité d’eau. Les experts s’interrogent : comment assurer l’approvisionnement en eau requis pour la production de quantités abondantes d’hydrogène propre?
Tout d’abord, nous allons dépeindre l’hydrogène et ce que nous observons dans le cadre de notre travail : de quoi s’agit-il, comment est-il produit et comment pouvons-nous obtenir l’eau nécessaire pour le produire? Nous examinerons également l’état actuel de l’industrie de l’hydrogène aux États-Unis et dans le monde.
Bref aperçu des couleurs de l’hydrogène
L’hydrogène est l’élément le plus abondant de l’univers. De plus, il est léger, non toxique et réactif. Ces caractéristiques font de lui un vecteur énergétique efficace. Si l’on parvient à abandonner les combustibles fossiles au profit d’une forme d’énergie comme l’hydrogène, on sera en mesure de réduire les émissions de manière significative.
Il existe quelques méthodes pour produire de l’hydrogène. La méthode de production détermine la « couleur » attribuée à l’hydrogène. Certaines méthodes existent depuis un certain temps, tandis que d’autres constituent des approches relativement nouvelles. Passons en revue les couleurs de l’hydrogène :
- L’hydrogène gris est principalement produit à partir de gaz naturel ou d’autres combustibles fossiles, sans aucun recours à des technologies de captage du carbone. Ainsi, une importante quantité d’émissions de GES est rejetée dans l’atmosphère, ce qui entraîne une certaine opposition à son utilisation.
- L’hydrogène bleu est également principalement produit à partir de gaz naturel ou d’autres combustibles fossiles. Toutefois, le captage du carbone est mis en œuvre pour réduire l’empreinte carbone des installations de production.
- L’hydrogène vert est produit à partir de l’eau en utilisant des sources d’énergie renouvelables et le procédé de production ne rejette pas d’émissions de GES. Il n’est donc pas surprenant que l’hydrogène vert soit très recherché à mesure que la transition énergétique progresse. Il est possible de jumeler ses installations de production à une centrale solaire, éolienne ou hydroélectrique.
- L’hydrogène turquoise est une forme plus récente observée dans l’industrie. Il peut aider à résoudre plusieurs problèmes à la fois. L’hydrogène turquoise est produit par pyrolyse du méthane et donne de l’hydrogène et du carbone solide. Il est possible d’utiliser le carbone pour créer du graphite, un minéral critique dans la production des véhicules électriques.
- L’hydrogène rose, également appelé hydrogène rouge ou mauve, est produit à partir de l’énergie nucléaire. Ce type de production d’hydrogène est encore à l’étape du développement, mais il est réalisable et pourrait mener à une production d’énergie à grande échelle.
Maintenant que vous connaissez les différentes méthodes de production d’hydrogène, vous vous demandez peut-être : quel est le lien avec l’eau? Examinons donc le rôle de l’eau dans la production d’hydrogène et pourquoi il en faut une grande quantité.
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La méthode de l’électrolyse nécessite de l’eau d’une très grande pureté pour éviter les salissures dans l’équipement.
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Pourquoi faut-il de l’eau pour produire de l’hydrogène?
Les experts de l’industrie, et un bon nombre de nos clients, ont passé ces dernières années à explorer comment produire de l’hydrogène en quantité suffisante pour une production commerciale. Il est maintenant temps de passer des concepts aux études de faisabilité et à la conception détaillée d’installations de production d’hydrogène. Il faut étudier comment rendre l’équipement de production le plus fiable possible et c’est là que l’eau intervient.
L’une des principales méthodes pour produire de l’hydrogène est l’électrolyse. Cette méthode utilise l’électricité, qu’elle provienne de combustibles fossiles, d’énergies renouvelables ou de l’énergie nucléaire, pour séparer l’eau en ses deux éléments : l’hydrogène et l’oxygène. L’oxygène est libéré et l’hydrogène est exploité et utilisé comme source d’énergie. Mais alors, l’eau n’existe plus. Et dans un monde où l’on fait face à une crise climatique et à une crise de l’eau, il faut trouver un moyen de produire de l’hydrogène tout en gérant l’approvisionnement en eau de manière durable.
L’électrolyse est la méthode la plus répandue pour produire de l’hydrogène, et ce, pour plusieurs bonnes raisons. Tout d’abord, il s’agit de la technologie la plus maîtrisée et elle est commercialement disponible pour les entreprises intéressées par la production d’hydrogène. Deuxièmement, il s’agit d’une méthode relativement peu coûteuse. Et enfin, la technologie peut être alimentée par les sources d’énergie renouvelables. Elle ouvre la voie à une production abondante d’hydrogène vert.
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Mais cette méthode pose le problème suivant : elle nécessite de sécuriser un approvisionnement suffisant d’eau pour l’ensemble du cycle de vie du projet. Il faut neuf litres d’eau pour produire un kilogramme d’hydrogène, sans compter les autres besoins en eau des installations de production tels que le chauffage, le refroidissement et les services généraux. La méthode de l’électrolyse nécessite également de l’eau d’une très grande pureté pour éviter les salissures dans l’équipement.
Aussi, l’électrolyse consomme beaucoup d’énergie. Il est donc préférable de produire de l’hydrogène avec cette technologie lorsqu’elle est jumelée à des sources d’énergie renouvelables. Mais cela entraîne une situation problématique, car l’approvisionnement en eau et l’énergie renouvelable doivent être disponibles, 24 heures par jour, peu importe les conditions météorologiques. Alors, comment assurer un approvisionnement en eau fiable?
Alors que les installations de production d’hydrogène se multiplient, on observe que la plupart de celles-ci exploitent une seule source d’eau, en fonction de sa proximité. Mais pour le choix d’un site de production, il faut d’abord prendre en compte d’autres facteurs, comme les énergies renouvelables ou l’accès à des marchés d’importation et à des infrastructures d’exportation. L’enjeu de l’eau s’avère être une possible faille dans la planification initiale.
L’avancement de ces projets permet de constater qu’un approvisionnement en eau fiable peut être assuré de plusieurs manières. Il peut s’agir de sources naturelles, d’infrastructures existantes ou même d’ententes avec des tiers.
Il ressort également que les méthodes de production d’hydrogène devront s’appuyer sur des sources d’eau variées afin de pouvoir localiser les installations sur les sites les mieux adaptés, de protéger l’environnement et de gérer de manière responsable l’eau nécessaire aux collectivités pour qu’elles prospèrent dans la région. Il peut s’agir d’eaux souterraines, d’eaux recyclées par les municipalités ou d’eau provenant de cours d’eau. Les eaux marines ne se prêtent pas aussi bien à l’électrolyse, mais pourraient éventuellement remplacer l’eau douce dans les systèmes de refroidissement.
Les difficultés liées à l’eau varient en fonction de l’emplacement des installations de production. Le climat local, par exemple, peut avoir une incidence sur les besoins en chauffage et en climatisation des installations, ainsi que sur la quantité d’eau nécessaire aux systèmes mécaniques. Les infrastructures hydrauliques existantes pourraient également jouer un rôle, selon leur taille et la quantité d’eau disponible. Y a-t-il des barrages-réservoirs? Les services publics locaux sont-ils en mesure de fournir de l’eau? Quelles sont les réserves locales d’eaux souterraines et d’eaux de surface?
Plus nous réalisons des travaux pour nos clients en lien avec la production d’hydrogène, plus nous en apprenons au sujet de l’approvisionnement en eau. La production d’hydrogène est une toute nouvelle réalité et c’est un secteur d’activités en constante évolution.
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Les couleurs de l’hydrogène sont importantes. La production d’hydrogène vert repose sur les énergies renouvelables.
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Quel est l’état actuel du marché de l’hydrogène aux États-Unis et dans le monde?
Le marché de l’hydrogène est en croissance dans le monde entier. C’est particulièrement le cas aux États-Unis depuis l’adoption de la loi bipartisane de 2021 sur les infrastructures (Infrastructure Law). Cette loi prévoit octroyer sept milliards de dollars pour la production d’hydrogène. Ce montant est actuellement utilisé pour la conception et la construction de sept pôles régionaux d’hydrogène dans l’ensemble des États-Unis, de la Californie à la Virginie. Collectivement, les installations dans ces pôles devraient produire environ trois millions de tonnes métriques d’hydrogène par an.
Il ne faut pas oublier que l’emplacement des installations productrices d’énergie renouvelable n’est pas forcément le même que celui où se trouve l’eau disponible. En outre, les pôles ne sont pas nécessairement établis dans des régions dotées d’infrastructures hydrauliques ou d’activités industrielles. Comme mentionné ci-dessus, plusieurs facteurs doivent être considérés avant de faire le choix d’un site de production, d’où l’importance d’une bonne compréhension de l’environnement immédiat.
À mesure que de nouvelles installations de production d’hydrogène sont érigées, il est probable qu’il s’agira davantage d’installations autonomes situées dans une variété d’endroits. Elles doivent répondre à des normes strictes et utiliser l’eau de manière innovante en favorisant, par exemple, le captage du carbone et en produisant de l’hydrogène vert à partir de l’électrolyse. Nous nous attendons à ce que ces installations intègrent de l’énergie renouvelable à leurs activités. Elles devraient également réutiliser davantage l’eau en produisant peu ou pas de rejets liquides.
En 2022, la production mondiale d’hydrogène a été d’environ 95 millions de tonnes métriques d’hydrogène. Mais la production est appelée à augmenter de manière importante à mesure que la transition énergétique progressera. En fait, Statistica estime que d’ici 2030, la production mondiale atteindra jusqu’à 300 tonnes métriques d’hydrogène par an. Pour y arriver, plus de 1 000 installations de production d’hydrogène sont actuellement prévues. Mais il faudra de nouvelles avancées technologiques et une évolution des politiques énergétiques pour que ces projets passent de la planification à la réalisation d’installations de production opérationnelles.
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Plus nous réalisons des travaux pour nos clients en lien avec la production d’hydrogène avec nos clients, plus nous en apprenons au sujet de l’approvisionnement en eau.
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Ce qu’il faut faire pour aller de l’avant
Il est évident que les populations doivent lutter contre les changements climatiques et prendre des mesures importantes pour réduire les émissions et protéger la planète pour les générations futures. L’hydrogène peut aider à atteindre ces objectifs, en particulier lorsque les experts en eau et en énergie arriveront ensemble à résoudre les difficultés précédemment mentionnées. Quand il sera possible d’alimenter les maisons, les véhicules et même les avions avec de l’hydrogène propre, cela facilitera l’abandon progressif des sources d’énergie classiques comme le gaz naturel ou d’autres combustibles fossiles.
Mais nous sommes également confrontés à une autre crise, celle de l’eau. L’eau est une ressource précieuse dont l’être humain a besoin pour survivre. Il faut donc gérer les ressources hydriques de manière responsable. Est-ce possible de produire suffisamment d’hydrogène tout en maintenant l’approvisionnement en eau pour les collectivités locales? C’est certainement l’objectif et des outils et des technologies nécessaires pour accomplir la tâche correctement sont à la disposition de tous.
Comme nous l’avons vu, il existe des difficultés et des solutions potentielles liées à la transition énergétique. Cet enjeu crucial pourrait dépendre de la manière dont les experts en eau et en énergie, dont nous faisons partie, travaillent ensemble pour résoudre ces problèmes.
Traduction du blogue publié originalement sur le site Ideas de Stantec.
À propos des auteurs :
En tant que spécialiste du développement stratégique des affaires, Nathan est toujours à la recherche de moyens pour améliorer la capacité de Stantec à aider ses clients. Il participe donc à l’expansion des activités de l’entreprise dans les différentes régions et à l’exploration de nouvelles utilisations de produits existants tels que le bitume.
En poste à Dartmouth, en Nouvelle-Écosse, Jillian est une leader technique régionale pour l’équipe de traitement des eaux industrielles. Dans le cadre de ses fonctions, elle réalise principalement des projets du domaine des eaux industrielles pour nos équipes internes et nos clients externes dans l’est du Canada.
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