Quel rôle pour l’hydrogène dans la production de chaleur industrielle dans un monde zéro net ?

Dans les modèles développés par l’Energy Science Center de l’EPFZ, on ne trouvera pas d’utilisation de l’hydrogène suisse dans la production de chaleur industrielle. En revanche, les combustibles solides et l’électricité notamment sont appelés à remplir ce rôle, surtout pour les températures élevées.

Pour parvenir à une réduction des émissions de gaz à effet de serre à zéro net, il faut également trouver des solutions pour les secteurs pour lesquels il n’est guère possible de renoncer à des agents énergétiques chimiques. Outre le trafic aérien, l’industrie est concernée, notamment en ce qui concerne la production de chaleur industrielle à haute température.  

Actuellement, 32 % – soit 12 térawattheures (TWh) par an – environ de l’énergie nécessaire à l’industrie suisse sont couverts par les combustibles fossiles (OFEN, 2023 ; tableau 4). Ce secteur représente 23 % du total des émissions suisses de CO₂ (OFEV, 2022). En partenariat avec d’autres institutions suisses, une équipe de l’Energy Science Center de l’EPFZ, analyse dans le cadre du projet SWEET DeCarbCH comment réduire ces émissions. Le projet s’appuie notamment sur la modélisation du système énergétique suisse dans son ensemble, pour déterminer quels sont les combustibles et les technologies qui permettront la production de la chaleur industrielle nécessaire à l’industrie.  

Nos modèles actuels partent du principe que la consommation finale de chaleur industrielle restera dans les grandes lignes au niveau actuel de 20 TWh par an en 2050. Le choix des technologies à employer pour produire cette chaleur dépend de la température des procédés nécessaire, et bien évidemment de la capacité concurrentielle de la technologie en question. Les procédés industriels requièrent des températures variées, qui vont de 80 °C à bien au-delà de 1000 °C pour la fabrication de ciment. Déterminer avec précision la température à laquelle correspond effectivement le besoin de chaleur industrielle s’est avéré difficile. Pour la modélisation actuelle, par simplification, nous avons donc défini une répartition de la consommation finale (fabrication de ciment non comprise) dans trois plages de température comme suit : 25 % pour les températures inférieures à 100 °C, 25 % pour les températures comprises entre 100 et 200 °C et 50 % pour les températures de plus de 200 °C. 

Le solaire thermique et la géothermie en profondeur sont des technologies adaptées aux températures inférieures à 100 °C. Pour atteindre les températures recherchées dans la plage moyenne, entre 100 et 200 °C, ces deux sources peuvent être complétées par une pompe à chaleur industrielle. Autre possibilité, des installations de couplage chaleur-force (installations CCF) pourront produire la vapeur nécessaire aux procédés.  

Les procédés à haute température (plus de 200 °C) exigent des procédés de combustion ou encore des chauffages à résistance qui convertissent l’électricité directement en chaleur. Pour la production de ciment, seuls des procédés de combustion sont envisageables. Les combustibles disponibles pour ce faire sont surtout des gaz (méthane, hydrogène), des liquides (mazout) et des solides (déchets, bois, boues d’épuration, charbon).  

L’équipe de l’EPFZ a calculé un grand nombre de scénarios pour chercher des solutions permettant de fournir de la chaleur industrielle dans une démarche zéro net (illustration 1). Nous avons défini les scénarios sur la base de trois éléments : la valeur cible des émissions de CO₂ autorisées (axe des x : de 24 mégatonnes à zéro tonne de CO₂ par an) ; le lien Suisse – Europe (ensemble – seule), et le degré d’intégration des innovations – la géothermie par exemple – (conservateur – innovant). 

L’illustration ci-dessus présente la chaleur industrielle produite en 2050. Les trois plages de température mentionnées sont additionnées et réparties selon les différentes sources de chaleur. On observe d’abord que les différentes sources sont présentes dans des proportions relativement égales les unes aux autres ; en d’autres termes, il n’existe pas de source qui dominerait sans équivoque. Lorsque les objectifs fixés pour le CO₂ sont élevés – là où des émissions de CO₂ d’origine fossile sont encore autorisées –, il existe une forte proportion de combustibles gazeux, pour la plupart du méthane d’origine fossile. Sur la voie du zéro émission net, on observe un passage aux combustibles solides (déchets et bois) et à l’électricité. Lorsque la géothermie est disponible dans les scénarios innovants, elle fournit une quantité de chaleur considérable dans la plage de température basse (inférieure à 100 °C). Dans les scénarios conservateurs dans lesquels l’option de la géothermie n’entre pas en ligne de compte, ce rôle est assumé par le solaire thermique. 

La catégorie des combustibles gazeux fournit encore cinq térawattheures par an dans un scénario zéro net ; la proportion d’hydrogène est extrêmement faible, la source la plus importante étant le méthane, qu’il s’agisse de gaz naturel importé d’origine fossile ou de biométhane. La disponibilité du biométhane est toutefois tributaire d’une forte augmentation de l’utilisation de lisier dans la production de biogaz. La faible proportion de l’hydrogène s’explique notamment par le fait que l’utilisation d’électrolyse suivie d’une combustion demande nettement plus d’électricité que lorsque l’électricité est utilisée directement dans un chauffage à résistance.  

Mis ensemble, ces résultats indiquent que l’hydrogène suisse jouera un rôle faible dans les applications industrielles à haute température. Ce résultat dépend surtout de la disponibilité d’options alternatives. Mais il est aussi nécessaire que des agents énergétiques chimiques suisses comme le biométhane, le bois ou les déchets soient employés avant tout pour des applications à haute température et non pas pour la production de chaleur ambiante ou d’eau industrielle. L’hydrogène importé pourrait toutefois constituer une option concurrentielle à l’avenir ; il reste toutefois à voir comment l’Europe développera son infrastructure à hydrogène et dans quelle mesure la Suisse pourra se raccorder à ce réseau. 

Références 

• Office fédéral de l’environnement (2024), Inventaire des gaz à effet de serre de la Suisse. https://www.bafu.admin.ch/bafu/de/home/themen/klima/zustand/daten/treibhausgasinventar.html  
• Office fédéral de l’énergie (2023), Statistique globale de l’énergie.
  https://www.bfe.admin.ch/bfe/fr/home/approvisionnement/statistiques-et-geodonnees/statistiques-de-lenergie/statistique-globale-de-l-energie.html   
• SWEET-DeCarbCH https://www.aramis.admin.ch/Grunddaten/?ProjectID=48859  

Les auteurs 

Rebecca Lordan-Perret est Scientific Outreach Manager de l’Energy Science Center (ESC) de l’EPFZ.

Gianfranco Guidati est directeur adjoint de l’Energy Science Center (ESC) de l’EPFZ.