Un peu d'hydrogène vert et propre avec votre gaz naturel?

Hydrogène et gaz naturel

Comme combustibles, l'hydrogène et le gaz naturel partagent certaines similitudes, notamment en ce qui a trait à leur polyvalence, à leur sécurité et à leur transport. De plus, l'hydrogène est le combustible dont la teneur en carbone est la plus faible au point d'utilisation. [1] À ce titre, on s'attend à ce qu'il joue un rôle important dans la transition mondiale vers une économie plus propre et plus verte, en contribuant à la diversification du bouquet énergétique et à l'atteinte des cibles de réduction des émissions. Sur cette base, l'hydrogène constitue un excellent carburant de remplacement dans un éventail d'applications, notamment pour le transport, la production d'électricité et le chauffage, qu'il s'agisse de production de chaleur industrielle ou de chauffage résidentiel et commercial.

Compte tenu de l'intérêt croissant que suscite l'hydrogène comme combustible, le mélange de l'hydrogène et du gaz naturel permet de stimuler la demande d'hydrogène tout en réduisant les émissions de carbone et en optimisant l'utilisation des infrastructures de distribution existantes pour répondre à l'expansion du marché de l'hydrogène. Le mélange hydrogène-gaz naturel peut être utilisé dans de nombreuses applications à la place du gaz naturel pur. À l'heure actuelle, des rapports de mélange comprenant jusqu'à 20 % d'hydrogène font l'objet de nombreux essais, et les répercussions sur les infrastructures et les appareils d'utilisation finale sont minimes.^[2]

Avantages du mélange hydrogène-gaz naturel

L'injection de quantités relativement faibles d'hydrogène dans les réseaux existants de pipelines pour le gaz naturel nécessiterait tout au plus des changements mineurs aux infrastructures de distribution de carburant et aux appareils d'utilisation finale, tout en stimulant les technologies d'approvisionnement en hydrogène. Dans un premier temps, cela peut être réalisé sans engager de coûts d'investissement élevés et sans les risques associés à la mise en place d'infrastructures spécialisées de transport et de distribution de l'hydrogène.^[3] Quelques avantages du mélange hydrogène-gaz naturel :

1. Réduction des émissions : L'ajout d'hydrogène au gaz naturel, même en faible quantité, permettrait de réduire les émissions de gaz à effet de serre (GES). Toutefois, l'intensité carbonique du mélange dépend des matières premières utilisées et de la méthode de production de l'hydrogène. À titre d'exemple, on estime qu'un mélange comprenant aussi peu que 5 % d'hydrogène à faible teneur en carbone pourrait contribuer à réduire les émissions de GES de 2 %.^[4]
2. Utilisation du réseau existant de pipelines pour le transport et la distribution du gaz naturel : S'ils sont utilisés pour transporter un mélange hydrogène-gaz naturel, les pipelines de transport et de distribution de gaz naturel existants au Canada peuvent contribuer à accélérer la croissance de l'utilisation de l'hydrogène au Canada. De plus, la production d'hydrogène par la conversion d'un excédent d'électricité et l'injection de cet hydrogène dans les pipelines de gaz naturel permet de profiter de la capacité de stockage inhérente au réseau de distribution.^[5]
3. Réduction des dépense en immobilisations initiales : Le mélange d'hydrogène dans les infrastructures de gaz naturel existantes limiterait (ou du moins, retarderait) les importantes dépenses en immobilisations inhérentes à la mise en place d'infrastructures spécialisées de transmission et de distribution d'hydrogène.^[6] L'utilisation des infrastructures existantes permettrait également d'éviter les délais supplémentaires, en plus d'atténuer potentiellement la résistance à l'égard des projets de construction de nouveaux pipelines.^[7]
4. Création d'une demande : Le mélange d'hydrogène est la voie offrant le plus grand potentiel quant à la demande d'hydrogène.^[8] L'accroissement de la demande d'hydrogène entraînerait une augmentation de l'offre d'hydrogène, ce qui pourrait réduire considérablement le coût des technologies d'approvisionnement en hydrogène.

Défis du mélange d'hydrogène

Certes, le mélange d'hydrogène comporte de nombreux avantages, mais apporte également son lot de défis, notamment :

1. Compatibilité des pipelines : Selon la composition du pipeline et les conditions d'exploitation, l'exposition à l'hydrogène peut fragiliser certains matériaux. Bien que l'acier et le polyéthylène utilisés dans les réseaux de distribution de gaz naturel plus modernes ne représentent habituellement aucun risque de fragilisation, les infrastructures de distribution et de transport de gaz naturel plus anciens sont plus sensibles à la fragilisation par l'hydrogène en raison de l'acier utilisé et des pressions élevées par rapport aux réseaux de distribution. ^[9]
2. Tolérance des équipements d'utilisation finale : Le rapport du mélange hydrogène-gaz naturel doit respecter la capacité et la tolérance de l'équipement d'utilisation finale raccordé au réseau. Par conséquent, la tolérance du réseau global est limitée par l'élément d'utilisation final ayant la tolérance la plus faible, ce qui peut poser un défi particulier en ce qui concerne les procédés industriels à réglage très précis qui utilisent le gaz naturel comme matière première. Des évaluations portant sur des appareils d'utilisation finale conventionnels (applications résidentielles et commerciales) sont en cours.
3. Densité énergétique : À température ambiante, la densité d'énergie volumétrique de l'hydrogène représente environ un tiers de celle du gaz naturel. Ainsi, l'hydrogène injecté dans les réseaux de gaz naturel donne un mélange contenant moins d'énergie par volume. Plus le rapport du mélange augmente, plus la valeur calorifique moyenne du mélange gaz naturel-hydrogène diminue; par conséquent, un volume accru de mélange est nécessaire pour répondre aux mêmes besoins énergétiques.
4. Capacité des pipelines : Étant donné que le volume de mélange nécessaire pour fournir la même quantité d'énergie que le gaz naturel est trois fois plus élevé, une capacité de transport et de stockage supplémentaire dans l'ensemble du réseau pourrait devenir nécessaire, selon l'ampleur de l'essor du mélange hydrogène-gaz naturel. Les options possibles pour surmonter cet obstacle comprennent la compression, la liquéfaction ou l'incorporation de l'hydrogène dans des molécules plus grosses et facilement transportables sous forme liquide.^[10] 
5. Variabilité du volume : La variabilité du volume d'hydrogène injecté dans le flux de gaz naturel pourrait nuire au fonctionnement de l'équipement conçu pour n'accueillir qu'une quantité limitée de mélanges de gaz.
6. Considérations comptables : Il est important de faire le suivi du volume d'hydrogène injecté dans le réseau et de son intensité carbonique. À cette fin, il sera nécessaire d'avoir recours à une méthode comptable particulière (parfois appelée « garantie d'origine ») s'il est envisageable que les opérateurs reçoivent une prime pour fournir du gaz à faible intensité carbonique.
7. Règlements et normes : À l'heure actuelle, aucune norme n'a encore été édictée afin d'encadrer le mélange. Des mesures visant à mettre à jour et à harmoniser la réglementation nationale qui fixe des limites aux concentrations permises d'hydrogène dans les flux de gaz naturel joueraient en faveur du mélange.

Considérations relatives aux politiques

À l'heure actuelle, le coût de production d'hydrogène bleu ou vert demeure élevé par rapport aux autres combustibles. Dans ce contexte, l'ajout d'hydrogène au gaz naturel, même en faible quantité, doit faire l'objet d'un soutien stratégique afin de stimuler la demande des fournisseurs de gaz et d'encourager la production d'équipement compatible avec l'hydrogène et l'utilisation des infrastructures déjà adaptées à l'hydrogène. Encadrer la production d'hydrogène au moyen d'incitatifs et de quotas, en établissant certaines exigences quant à la teneur en hydrogène du mélange et en fixant des cibles de réduction d'émissions, comme dans le cas de la production d'électricité renouvelable, pourrait encourager  l'adoption du mélange hydrogène-gaz naturel, créant une offre et une demande fiables pour l'hydrogène.^[11]

Exemples de projets de mélange d'hydrogène en cours

1. Alberta – ATCO

En juillet 2020, ATCO a annoncé son intention de faire avancer un projet de mélange d'hydrogène près de Fort Saskatchewan, le plus important en son genre au Canada, utilisant de l'hydrogène provenant de gaz naturel produit au Canada. Il est prévu que l'installation injectera jusqu'à 5 % d'hydrogène par volume dans un tronçon du réseau de distribution de gaz naturel résidentiel de Fort Saskatchewan, ce qui réduira l'intensité carbonique du flux de gaz naturel pour ses clients. De plus, ATCO a l'intention d'utiliser l'infrastructure actuelle de captage et de séquestration du carbone de l'Alberta pour stocker les émissions attribuables au procédé de production. Pour ce projet, ATCO a reçu 2,8 millions de dollars d'Emission Reductions Alberta (ERA) dans le cadre du Natural Gas Challenge.^[12]

2. Ontario – Enbridge Gas et Cummins

Après avoir obtenu l'approbation réglementaire de la Commission de l'énergie de l'Ontario pour la construction d'installations, Enbridge Gas et Cummins ont annoncé en novembre 2020 un projet pilote de 5,2 millions de dollars dans le cadre duquel de l'hydrogène renouvelable sera injecté dans une boucle séparée du réseau de distribution de gaz naturel actuel d'Enbridge Gas. Le projet permettra à Enbridge Gas d'étudier l'utilisation de l'hydrogène pour décarboniser le gaz naturel et ainsi réduire les émissions de gaz à effet de serre. Cette installation de mélange d'hydrogène et de gaz naturel sera construite à proximité de l'installation existante de conversion de l'électricité en gaz (power-to-gaz ou P2G) par électrolyse située à Markham et construite en 2018 avec le soutien financier du gouvernement du Canada. Cette installation de P2G a été établie aux termes d'un contrat avec la Société indépendante d'exploitation du réseau d'électricité (SIERE) de l'Ontario afin que cette dernière contribue à élaborer des normes visant à équilibrer l'offre et la demande d'électricité en convertissant l'excédent d'électricité en hydrogène. L'hydrogène est stocké pour être reconverti en électricité au moyen de piles à combustible à hydrogène en fonction des besoins du réseau ou mélangé au flux de gaz naturel existant lorsque possible.[13]

3. Colombie-Britannique – FortisBC

En novembre 2020, FortisBC a annoncé un investissement de 500 000 $ pour explorer la possibilité de distribuer de l'hydrogène par l'entremise de son réseau de distribution. Réalisée en partenariat avec l'Université de la Colombie-Britannique, l'étude portera principalement sur le mélange d'hydrogène, les effets potentiels de l'hydrogène sur les infrastructures et la détermination des mélanges et des concentrations pouvant être transportés de manière sécuritaire par le réseau de FortisBC. ^[14]

4. Québec – Evolugen et Gazifère

En février 2021, Evolugen et Gazifère (filiales d'Énergie Brookfield et d'Enbridge Gas, respectivement) ont annoncé leur intention de construire l'un des plus grands projets canadiens d'injection d'hydrogène vert. Les entreprises comptent bâtir et exploiter une usine de production d'hydrogène par électrolyse de l'eau à proximité des centrales hydroélectriques d'Evolugen situées à Gatineau. Les centrales hydroélectriques alimenteront l'électrolyseur, qui produira de l'hydrogène vert qui sera ensuite injecté dans le réseau de distribution de gaz naturel de Gazifère. On estime que le projet produira environ 425 000 GJ d'hydrogène vert, ce qui devrait se traduire par une réduction des GES d'environ 15 000 tonnes métriques par année.

Conclusion

Pour conclure, bien que jusqu'à présent les efforts aient été concentrés principalement sur les technologies fondées sur l'hydrogène exclusivement (comme les piles à combustible et les véhicules à zéro émission), les exemples ci-dessus révèlent que le mélange d'hydrogène et de gaz naturel ainsi que son transport au moyen des infrastructures existantes de distribution de gaz pourraient constituer un jalon important du développement et de la croissance d'une économie de l'hydrogène.