À mesure que les sources d'énergie renouvelables telles que le vent et le soleil se développent, elles peuvent être utilisées pour produire durablement de l'hydrogène. Mais la mise en œuvre d'une telle stratégie à grande échelle nécessite des terres et de l'eau dédiées à cet effet.
Une recherche récente publiée dans Nature Communications et dirigée par Lorenzo Rosa, de Carnegie, et Davide Tonelli, chercheur invité de l'ULB et de l'UCLouvain, analyse les défis à relever pour répondre durablement à différents scénarios de demande d'hydrogène, pays par pays.
L'électrolyse est une méthode de production d'hydrogène qui consiste à diviser l'eau en oxygène gazeux et en hydrogène gazeux, qui peuvent être stockés et utilisés comme carburant ou comme matière première pour produire des produits chimiques utiles. Ce processus peut être alimenté par des combustibles fossiles comme le charbon ou le gaz naturel, ou par des sources d'énergie renouvelables comme le vent et le soleil, qui nécessitent toutes deux de l'espace pour être déployées.
"Aujourd'hui, l'hydrogène est principalement utilisé dans les raffineries et la production de produits chimiques", a expliqué M. Rosa. "Mais à l'avenir, la demande d'hydrogène pourrait être multipliée par cinq, en raison de l'adoption de l'hydrogène ou de produits dérivés de l'hydrogène dans les transports, les méthodes de chauffage industriel et les techniques de fabrication de l'acier. Il est possible de répondre à cette demande accrue avec de l'hydrogène produit de manière durable.
En collaboration avec Paolo Gabrielli (de l'ETH Zurich), chercheur invité à Carnegie, Ken Calderia de Carnegie, Alessandro Parente de l'ULB et Francesco Contino de l'UCLouvain, Tonelli et lui ont découvert qu'en raison de la rareté des terres et de l'eau, moins de la moitié de la demande d'hydrogène prévue pour 2050 pourrait être produite et utilisée localement à l'aide de l'énergie éolienne ou solaire.
"Si l'on considère la quantité d'eau nécessaire au niveau mondial pour produire suffisamment d'hydrogène pour répondre aux besoins de l'humanité en 2050, cela ne représente que 0,6 % de l'eau disponible dans le monde", a déclaré M. Tonelli. "Mais si l'on considère la production locale pour une utilisation locale, la situation peut être différente.
Il s'avère que dans un monde à zéro émission nette de carbone, certains pays devraient importer de l'hydrogène, sous forme pure ou sous forme de produits dérivés de l'hydrogène, en provenance d'autres pays disposant de terres plus abondantes et de ressources solaires et éoliennes plus favorables qui pourraient être déployées pour produire durablement de l'hydrogène en quantités massives.
Rosa et Tonelli ont constaté que l'Afrique du Sud, l'Afrique centrale et orientale, l'Afrique de l'Ouest, l'Amérique du Sud, le Canada et l'Australie disposent de terres et d'eau qui pourraient en faire des leaders potentiels de l'exportation d'hydrogène. À l'inverse, l'Europe occidentale, Trinité-et-Tobago, la Corée du Sud et le Japon devraient importer de l'hydrogène ou réduire leur production industrielle.
Les chercheurs soulignent l'importance des évaluations nationales des ressources que les pays seraient prêts à consacrer à la production d'hydrogène.
"Notre travail indique les pays qui ont les ressources nécessaires pour augmenter la production d'hydrogène durable pour l'exportation", a déclaré M. Tonelli. "Mais, bien sûr, des facteurs sociaux, politiques et économiques détermineront l'étendue de l'installation des technologies renouvelables et de la production d'hydrogène dans chaque pays, qui peut différer de ce qui est faisable sur le papier.
Cette recherche s'inscrit dans le cadre du programme global de Rosa visant à étudier les opportunités et les défis à l'intersection de l'énergie, de l'eau et de la production alimentaire, qui sont tous influencés par le changement climatique et la croissance de la population.
"Alors que nous nous efforçons d'atténuer la pollution par les gaz à effet de serre et de nous préparer à la manière dont le changement climatique affectera notre lieu de vie, la manière dont nous construisons et soutenons les communautés, et la manière dont nous nous nourrissons, il est essentiel que nous examinions de manière approfondie les différentes solutions climatiques afin de comprendre les possibilités qu'elles présentent, ainsi que les conséquences imprévues", a conclu M. Rosa.
Plus d'informations : Davide Tonelli et al, Global land and water limits to electrolytic hydrogen production using wind and solar resources, Nature Communications (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-41107-x.
Article de presse par : Carnegie Institution for Science