L’utilisation d’électricité nucléaire décarbonée pour produire de l’hydrogène vert en grande quantité est un sujet presque tabou, notamment en France. Si un grand plan de plus de 7 milliards d’euros de création d’une filière d’hydrogène décarboné a été annoncé en septembre dernier et si pour le réussir il faudra produire de très grande quantité d’électricité pour alimenter des électrolyseurs et fabriquer des tonnes d’hydrogène, la seule mention de l’utilisation des centrales nucléaires fait frémir. Le gouvernement, les agences spécialisées, les groupements professionnels ont tout simplement peur des foudres des écologistes. Et cela même s’il sera sans doute impossible de réussir le pari de l’hydrogène vert sans électricité nucléaire.
Pour donner une idée des besoins potentiels la demande en énergie du transport maritime, si elle basculait vers l’hydrogène, «nécessiterait jusqu’à 650 gigawatts de puissance électrique nucléaire», écrit l’an dernier dans une étude, Energy Options Network, une organisation à but non lucratif qui promet les solutions énergétiques bas carbone. C’est six fois la capacité de production théorique de tous les réacteurs nucléaires en service aujourd’hui aux Etats-Unis et dix fois celle des réacteurs français.
Quatre expérimentations lancées dans des centrales nucléaires
Les Etats-Unis ont bien mesuré ce potentiel ce que montre une étude de l’IFRI (Institut français des relations internationales) publiée il y a quelques jours. Près de 99% de la production d’hydrogène aux Etats-Unis est encore de combustibles fossiles, notamment de gaz naturel. Mais cela devrait rapidement changer.
Le Département de l’énergie (DOE) américain a présenté la nouvelle stratégie du pays en matière d’hydrogène en novembre 2020. Elle est baptisée «Hydrogen Program Plan». Elle est articulée autour de nombreux programmes de recherche et développement et vise à atteindre des cibles précises en matière de coûts de production, d’acheminement et d’utilisation. Il est estimé dans l’HPP que l’émergence d’une économie de l’hydrogène pourrait constituer dès 2030 aux États-Unis un secteur d’une valeur de 140 milliards de dollars par an employant 700 000 personnes. Il ne s’agit pas d’une planification stricte en matière de capacité d’électrolyseurs installée comme en Europe mais de développer avant tout des technologies pour faire de l’hydrogène un vecteur d’énergie compétitif.
Cette stratégie s’appuie notamment écrit l’IFRI sur «des efforts en cours en matière de couplage des centrales nucléaires avec des capacités de production d’hydrogène». Quatre projets soutenus par le DOE (programme «H2@Scale») ont été lancés aux Etats-Unis.
Exelon, le plus grand exploitant nucléaire du pays, doit faire la démonstration dès 2023 d’un «couplage complet sur site», avec l’installation d’un électrolyseur de 1 MW fourni par l’industriel norvégien Nel Hydrogen. «L’hydrogène produit sera utilisé sur la centrale, la molécule étant nécessaire au contrôle de la chimie des REB» (réacteurs à eau bouillante). Une généralisation ultérieure du concept est envisagée par Exelon sur les14 centrales équipées de réacteurs de ce type qu’il fait fonctionner. Il existe en tout 31 réacteurs à eau bouillante e fonctionnement aux Etats-Unis.
Les promesses de l’électrolyse à haute température
Energy Harbor, a également été retenu par le DOE pour un projet d’installation d’électrolyseur PEM sur une de ses centrales, celle de David-Besse dans l’Ohio. Cette fois, l’objectif est d’évaluer les gains de compétitivité pour les exploitatnts sur un marché « dérégulé » de l’électricité, qui pourraient choisir de produire de l’hydrogène avec l’électricité produit par une centrale plutôt que de vendre à perte lors des périodes de forte production des sources renouvelables intermittentes. L’hydrogène produit sera utilisé par les flottes de bus de l’État et éventuellement pour de la production sidérurgique à faible émission de gaz à effet de serre.
Arizona Power System (APS) a de plus lancé une étude en collaboration avec le DOE pour évaluer l’intérêt d’installer des électrolyseurs de type PEM réversibles (piles à combustible) sur sa centrale de Palo Verde. La réversibilité permettrait d’utiliser l’hydrogène produit pour produire de l’électricité en période de pic de demande, la centrale produisant de l’hydrogène lorsque la consommation électrique est faible.
Enfin, le dernier projet est le plus prometteur. L’exploitant nucléaire du Minnesota Xcel installera entre 2022 et 2023 un électrolyseur dit à «haute température» sur sa centrale de Prairie Island. Une très faible partie de la vapeur du circuit secondaire d’un des deux réacteurs à eau pressurisée sera extraite afin de préchauffer l’eau pure de l’électrolyseur permettant un gain de 33% de rendement énergétique.
Cette technologie dite de l’électrolyse à haute-température ouvre des perspectives importantes. Elle doit«permettre aux centrales nucléaires d’être les installations de production décarbonée d’hydrogène les plus compétitives du marché». L’hydrogène devient ainsi un nouvel «argument de vente» des centrales nucléaires. «L’électrolyse haute-température est une technologie clé…, qui, si elle profite d’économies d’échelle et de série suffisantes, pourrait permettre aux centrales nucléaires d’être les installations de production décarbonée d’hydrogène les plus compétitives du marché. Un potentiel qui concerne les réacteurs de forte puissance déjà construits, mais également les futurs petits réacteurs nucléaires modulaires…», souligne l’IFRI.
Un exemple existe déjà avec le projet récent de l’entreprise britannique Shearwater d’installer au Royaume-Uni une centrale avec une réacteur nucléaire américain de petite taille (SMR), conçu par NuScale (voir l’image ci-dessus), associé à un parc éolien en mer et relié à des électrolyseurs. Un petit réacteur NuScale qui produit 250 MW de chaleur et 77 MW d’électricité a été capable lors de tests de fabriquer près de 50 tonnes par jour d’hydrogène vert. Selon NuScale, cela rend compétitif la production d’hydrogène à partir d’énergie nucléaire par rapport à l’électricité solaire avec l’avantage de fonctionner plus efficacement. La méthode de production d’hydrogène de NuScale consiste à combiner la vapeur d’eau surchauffée et l’électricité.
