Coordinatrice du PEPR hydrogène au CEA
Actu-Environnement : Quels sont les axes de rechercheactuels liés à l'hydrogène ?
Hélène Burlet : L'hydrogène, c'est tout une chaîne de valeur, donc les axes de recherche sont nombreux. Tout un pan de l'activitéde R&D se concentre sur l'hydrogène bas carbone car la production d'hydrogène par électrolyse de l'eau est la priorité de la stratégie française. L'objectif est d'améliorer le rendement des électrolyseurs et d'allonger leur durée de vie pour baisser les coûts. La technologie à membrane échangeuse de protons (PEM), à basse température etmembrane polymère, déjà commercialisée, reste chère car elle utilise du platine, de l'iridium et du titane. Ces matériaux sont chers, rares pour certains, donc la R&D cherche à les remplacer par d'autres, abondants et bas coûts.
La technologie d'électrolyse dite à haute température (800 °C) nécessite des matériaux céramiques pour le coeur de cellule, utilise du nickel à la place du platine en tant que catalyseur, et elle est donc moins sensible au problème des matériaux critiques que la PEM. Mais cette technologie, plus récente, doit encore gagner en maturité. Les vitesses de dégradation des matériaux liés aux températures élevées doivent en particulier être diminuées.
AE : La pile à combustible (PAC) nécessite-t-elle aussi des améliorations ?
HB : Il n'y a pas de PAC universelle, les enjeux sont différents en fonction de l'application envisagée. Les recherches visent à optimiser cette technologie selon les usages et utilisent pour cela des chimies différentes, et des logiciels d'optimisation spécifiques à chacun.
Concernant les PAC déjà commercialisées, elles sont encore trop chères, essentiellement à cause du platine utilisé comme catalyseur. Pour baisser les coûts, il faut remplacer tous les matériaux coûteux et augmenter la durée de vie de la PAC. En ce qui concerne le platine, le « moins », c'est dans trois ans, le « pas du tout », c'est dans dix ans. Il faut également travailler à l'optimisation des plages de fonctionnement car une température ou un voltage trop élevés accélèrent le vieillissement de la PAC, alors que la profession demande des performances stables sur des durées longues. Par exemple, pour une PAC utilisée en transport lourd, il faut viser 30 000 heures de vie contre 15 000 heures aujourd'hui. Il existe des feuilles de route établies par la Commission européenne pour tous les types d'usage de PAC. Et il ne faut pas oublier les recherches nécessaires à l'utilisation del'hydrogène pour fournir de l'énergie sans passer par sa conversion en électricité grâce à la PAC. L'hydrogène peut en effet être utilisé comme carburant dans un moteur à combustion. Ce n'est pas nouveau, mais il faut faire mieux, c'est-à-dire sans émissions d'oxyde d'azote.
AE : Qu'en est-il des recherches en matière de stockage de l'hydrogène ?
HB : On sait déjà le stocker et le transporter, mais pas dans les bons volumes. L'hydrogène est une petite molécule qui prend beaucoup de place à pression atmosphérique. Il est comprimé à 350 ou 700 bars dans des réservoirs pour la mobilité hydrogène. Il faut conduire des activités de R&D sur ces réservoirs pour en baisser le coût, par exemple, en utilisant des matériaux moins chers. Pour la mobilité lourde, qui nécessite des réservoirs de grande capacité, il faut approfondir les recherches sur les transferts : peut-on augmenter la vitesse de remplissage d'un réservoir sachant que cela provoque un échauffement, et donc quels matériaux utiliser pour contenir cet échauffement ?
Il existe d'autres sujets de recherche sur la sécurité des systèmes de stockage de l'hydrogène : tests de surpression des réservoirs, comportement en cas de perçage, de surchauffe, ou phénomène de formation de nappe et diffusion dans l'atmosphère en cas de rupture de canalisation par exemple. L'hydrogène peut aussi être stocké sous forme liquide à - 253 °C. Or, si on veut le stocker en grande quantité à proximité des usages et donc des citoyens : comment garantir ces basses températures et que faire en cas de rupture ? Il est aussi transformable en ammoniac liquide (NH₃), mais cette conversion est réalisée aujourd'hui par un procédé très énergivore, qu'il faut donc modifier. On peut aussi le fixer dans un liquide organique pour le transporter. Cette solution existe déjà, mais il y a du mieux à faire car les liquides utilisés actuellement sont toxiques et ne sont pas capables d'absorber des quantités importantes d'hydrogène.
AE : Vous venez d'être désignée copilote avec le CNRS d'un PEPR. Comment ça marche ?
HB : Le PEPR est un objet qui est associé à une stratégie d'accélération. On est dans le cas où la France se saisit d'un sujet et décide d'aller vite. À travers le PIA4, le plan de relance, puis France 2030, l'État se donne les moyens de déployer 6,5 GW d'électrolyseurs d'ici à 2030, objectif fixé dans la stratégie nationale. L'objectif du PEPR est de lever les verrous technologiques et les freins sociaux, techniques et économiques pour lancer les démonstrateurs.
Ce PEPR, doté d'une enveloppe de 80 millions d'euros, a vocation à financer et animer la communauté française de la recherche publique compétente dans le domaine de l'hydrogène et ainsi accompagner les industriels de la filière dans leur stratégie de déploiement commercial. Ceux-ci bénéficient par ailleurs de financements autorisés par l'IPCEI européen consacré à l'hydrogène.
AE : Quels sont les axes de recherche prioritaires ?
HB : Nous sommes sur de la recherche avec un TRL ou Technology Readiness Level de 1 à 4, c'est-à-dire des recherches de laboratoire portant sur l'observation et la description d'un concept jusqu'à la validation de composants et de maquettes dans des conditions représentatives de leur futur usage.
Le CNRS et le CEA vont coordonner les recherches selon plusieurs axes : production d'hydrogène par électrolyse de l'eau ; mobilité pour le transport lourd et, en support du déploiement des technologies à travers des activités sur des analyses socio-économiques ; recherches prénormatives et sociétales ; outils et méthodes d'analyse du cycle de vie (ACV)...
D'autres axes sont plus exploratoires, comme la production d'hydrogène par photoélectrocatalyse qui va nécessiter entre cinq et six ans de recherche, ou encore la combustion de l'hydrogène pour l'aéronautique.
AE : Quel est le calendrier prévu ?
HB : Le PEPR hydrogène, c'est un ensemble de 20 à 30 projets sur six à huit ans. Après une phase de discussion avec l'État, qui s'est appuyé sur une large consultation de la communauté, sept grands projets ont déjà été identifiés (cf. encadré). Un projet d'Équipex sur les tests de performance et de vieillissement des piles à combustible basse température, réparti entre deux sites à Toulouse et à Belfort, est venu compléter l'offre de R&D pour la filière.
Toujours dans le cadre du PEPR-H2, un appel à projets, opéré par l'Agence nationale de la recherche (ANR) et qui visait à sélectionner des projets complémentaires très innovants, ouvrant la voie à des solutions alternatives sur ces thèmes, vient de se clôturer. L'ANR a également lancé, le 24 janvier, un appel à manifestation d'intérêt, afin de traiter le volet portant sur les questions d'analyse socio-économique et d'études d'impacts, et d'analyses de cycle de vie des systèmes à hydrogène.
