L'énergie hydrogène : l'élément le plus léger et l'avenir du carburant propre

L'hydrogène est l'élément le plus abondant dans l'univers, constituant environ soixante-quinze pour cent de toute la matière baryonique par masse et se trouvant en quantités immenses dans les étoiles, les nuages de gaz et la composition primordiale du cosmos. Sur terre, cependant, l'hydrogène existe rarement sous sa forme élémentaire pure — il se combine facilement avec l'oxygène pour former de l'eau, avec le carbone pour former des hydrocarbures, et avec l'azote et d'autres éléments pour former une vaste gamme de composés. L'obtention d'hydrogène pur pour une utilisation comme vecteur énergétique nécessite de rompre ces liaisons chimiques, ce qui demande de l'énergie. Ce fait fondamental — que l'hydrogène est un vecteur énergétique plutôt qu'une source d'énergie primaire, un moyen de stocker et de transporter de l'énergie plutôt qu'un puits dans lequel on peut puiser de l'énergie — définit à la fois les promesses et les défis de l'hydrogène en tant que composante du système énergétique mondial.

La promesse est considérable. L'hydrogène brûle avec une densité énergétique élevée (environ trois fois l'énergie par unité de masse de l'essence), ne produisant que de la vapeur d'eau comme produit de combustion. Lorsqu'il est utilisé dans une pile à combustible — un dispositif électrochimique qui combine l'hydrogène et l'oxygène pour produire de l'électricité — le processus est silencieux, très efficace et sans émissions au point d'utilisation. L'hydrogène peut être produit à partir de l'eau en utilisant de l'électricité renouvelable, créant une boucle fermée dans laquelle l'énergie propre est convertie en hydrogène, stockée et transportée, puis reconvertie en électricité ou en chaleur sans émissions de carbone à aucune étape. Cette vision d'une « économie de l'hydrogène » — un système énergétique mondial dans lequel l'hydrogène joue un rôle central analogue à celui du gaz naturel ou du pétrole — a été formulée et poursuivie depuis plus d'un demi-siècle, et a acquis une urgence renouvelée alors que les pays cherchent des voies vers une décarbonation profonde de leurs systèmes énergétiques.

Les défis sont tout aussi considérables. L'hydrogène est l'élément le plus léger, avec la plus petite taille moléculaire de toutes les substances, ce qui le rend extraordinairement difficile à contenir — il s'échappe à travers des joints et des parois de récipients qui retiendraient d'autres gaz, et nécessite soit une très haute pression (généralement 350 à 700 bar pour les applications automobiles), soit une liquéfaction cryogénique (en dessous de moins 253 degrés Celsius, près du zéro absolu) pour un stockage pratique. La production d'hydrogène par électrolyse de l'eau utilisant de l'électricité renouvelable est propre mais actuellement coûteuse. La production d'hydrogène à partir de combustibles fossiles — qui représente environ quatre-vingt-quinze pour cent de la production mondiale actuelle d'hydrogène — émet d'importantes quantités de dioxyde de carbone. L'infrastructure pour le stockage, la distribution et l'utilisation de l'hydrogène est largement absente dans la plupart des régions du monde. Et la conversion de l'hydrogène en énergie utile dans les piles à combustible ou par combustion implique des pertes thermodynamiques qui réduisent l'efficacité globale de l'hydrogène en tant que vecteur énergétique par rapport à l'utilisation directe de l'électricité.

Ces défis n'ont pas empêché l'hydrogène de devenir un centre d'intérêt pour les investissements intenses, l'attention politique et l'innovation technique au début du vingt et unième siècle, alors que les pays et les entreprises poursuivent l'hydrogène comme solution clé pour décarboner les secteurs difficiles à électrifier directement — notamment le transport longue distance, les processus industriels et le stockage saisonnier de l'énergie.

La découverte de l'hydrogène et les débuts de son histoire

La découverte de l'hydrogène en tant qu'élément chimique distinct est attribuée à Henry Cavendish, un scientifique anglais d'une capacité extraordinaire et d'une remarquable excentricité, qui en 1766 isola l'« air inflammable » — ce que nous appelons aujourd'hui le gaz hydrogène — en faisant réagir des métaux (zinc, étain et fer) avec des acides dilués (acide chlorhydrique et acide sulfurique). Cavendish caractérisa les propriétés du gaz avec une grande précision, mesurant sa densité (il détermina qu'il était environ onze fois plus léger que l'air — une légère surestimation, mais remarquable pour l'époque) et démontrant qu'il brûlait dans l'air pour produire de l'eau.

Antoine Lavoisier, le chimiste français considéré comme le père de la chimie moderne, nomma l'élément « hydrogène » à partir des mots grecs « hydro » (eau) et « gène » (qui engendre) en 1783, après avoir démontré que la combustion du gaz hydrogène produit de l'eau. La dénomination de Lavoisier était fondée sur ses expériences quantitatives rigoureuses montrant que l'eau est composée d'hydrogène et d'oxygène — une découverte qui a résolu des siècles de confusion sur la nature de l'eau et a établi les fondements de la chimie moderne. Lavoisier fut guillotiné pendant la Révolution française en 1794.

L'année 1783 fut également remarquable pour un autre jalon dans l'histoire de l'hydrogène : le premier vol habité en ballon à hydrogène. Jacques Charles, physicien français, et les frères Robert développèrent un ballon en soie rempli d'hydrogène recouvert de caoutchouc (une « charlière ») et le lancèrent depuis le Champ de Mars à Paris le 27 août 1783, à la stupéfaction générale du public — la même année remarquable où les frères Montgolfier réalisèrent leur premier vol habité en ballon à air chaud (21 novembre 1783). Charles lui-même pilota le premier vol habité en ballon à hydrogène le 1er décembre 1783, s'élevant à environ 550 mètres et parcourant environ 36 kilomètres depuis les jardins des Tuileries avant d'atterrir à Nesles-la-Vallée au nord-ouest de Paris. L'hydrogène pour ces premiers ballons était produit par la réaction de limaille de fer avec de l'acide sulfurique — un procédé coûteux et lent qui fournissait néanmoins le gaz porteur qui allait dominer l'aviation en ballon pendant le siècle et demi suivant.

Tout au long du dix-neuvième siècle, le gaz hydrogène était produit et utilisé principalement comme constituant du « gaz de ville » — le gaz manufacturé qui alimentait les premiers systèmes urbains d'éclairage et de cuisson. Le gaz de ville, produit par chauffage du charbon en l'absence d'air (un procédé appelé carbonisation du charbon ou pyrolyse), contenait généralement quarante à soixante pour cent d'hydrogène ainsi que du monoxyde de carbone, du méthane et d'autres gaz. Des systèmes de gaz de ville furent installés à Londres (à partir de 1812), à Paris, à New York et dans les villes du monde industrialisé, fournissant la première infrastructure d'énergie par canalisation. La teneur en hydrogène du gaz de ville contribuait à son inflammabilité et à son contenu énergétique, bien qu'elle ne fût pas reconnue ni valorisée séparément du mélange.

L'importance industrielle de l'hydrogène s'est considérablement accrue au début du vingtième siècle avec le développement du procédé Haber-Bosch pour la synthèse de l'ammoniac à partir de l'azote et de l'hydrogène — l'un des procédés chimiques les plus importants de l'histoire. Fritz Haber, un chimiste allemand, développa le procédé catalytique pour la synthèse de l'ammoniac en 1909, et Carl Bosch, un chimiste industriel chez BASF, le fit passer à l'échelle de la production industrielle. Le procédé Haber-Bosch a permis la production d'engrais azotés synthétiques à partir de l'azote atmosphérique, augmentant considérablement les rendements agricoles et soutenant la croissance démographique du vingtième siècle. On estime qu'environ la moitié de l'azote contenu dans les protéines de chaque être humain vivant aujourd'hui a été fixé par le procédé Haber-Bosch — ce qui en fait sans doute le développement chimique le plus important de l'histoire humaine. Le procédé consomme environ deux pour cent de l'énergie mondiale et produit environ un pour cent des émissions mondiales de CO2, et nécessite de l'hydrogène comme matière première essentielle — actuellement produit principalement à partir de gaz naturel.

La naissance de la pile à combustible

La pile à combustible — le dispositif électrochimique qui convertit directement l'hydrogène en électricité avec une efficacité bien supérieure à celle de la combustion — fut inventée par Sir William Robert Grove, un juge gallois et scientifique amateur, en 1839. Grove, travaillant à la London Institution, observa que l'électrolyse (passage d'un courant électrique à travers de l'eau pour la décomposer en hydrogène et en oxygène) pouvait être inversée — que la combinaison de l'hydrogène et de l'oxygène pouvait produire un courant électrique. Il construisit une « batterie voltaïque à gaz » utilisant des bandes de platine (le seul catalyseur disponible à l'époque pouvant faciliter la réaction à température ambiante) immergées dans de l'acide sulfurique dilué, avec de l'hydrogène fourni à une électrode et de l'oxygène à l'autre.

Grove démontra que sa batterie à gaz pouvait alimenter un moteur électrique et produire un courant électrique soutenu, publiant ses résultats dans le Philosophical Magazine en 1839. Il connecta ensuite plusieurs cellules en série pour créer des dispositifs plus puissants et démontra que la pile à combustible pouvait produire suffisamment d'électricité pour alimenter l'électrolyse de l'eau — anticipant le concept de l'économie de l'hydrogène de près de deux siècles. La pile à combustible de Grove était une remarquable réussite scientifique mais n'avait aucune application commerciale : le platine était coûteux, la puissance produite était infime, et il n'existait pas de source pratique d'hydrogène ou d'oxygène pour un fonctionnement soutenu.

La pile à combustible fut largement mise de côté comme une curiosité de laboratoire pendant plus d'un siècle, car les moteurs à combustion interne et la production d'électricité par cycle à vapeur conventionnel s'avérèrent bien plus pratiques pour les besoins énergétiques de la société industrialisée. Francis Bacon, un ingénieur britannique (à ne pas confondre avec le philosophe), raviva l'intérêt pratique pour les piles à combustible dans les années 1930 et 1940, en développant des piles à combustible alcalines utilisant un électrolyte à base d'hydroxyde de potassium (ce qui permettait l'utilisation d'électrodes en nickel moins coûteuses au lieu du platine) et en démontrant finalement un système de pile à combustible de 5 kilowatts en 1959.

La technologie des piles à combustible de Bacon fut sous licence accordée à Pratt & Whitney et développée pour les piles à combustible Apollo qui fournissaient de l'électricité (et de l'eau potable, en tant que sous-produit) à bord des engins spatiaux Apollo de la NASA lors des missions lunaires de 1969 à 1972. Les piles à combustible du programme Apollo, fonctionnant avec de l'hydrogène liquide et de l'oxygène liquide, représentèrent la première application pratique à grande échelle de la technologie des piles à combustible et démontrèrent son potentiel pour une production d'énergie fiable et efficace dans des environnements exigeants. Le succès des piles à combustible dans le programme Apollo stimula l'intérêt pour leurs applications terrestres potentielles.

Le Hindenburg et la sécurité de l'hydrogène

La catastrophe du Hindenburg du 6 mai 1937, au cours de laquelle le dirigeable allemand LZ 129 Hindenburg prit feu et brûla en tentant d'accoster à la station aéronavale de Lakehurst dans le New Jersey, tuant trente-six personnes, devint l'image emblématique du danger perçu de l'hydrogène et fit reculer l'hydrogène en tant que vecteur énergétique pendant des décennies. Le Hindenburg, le plus grand aéronef jamais construit à l'époque, était rempli d'environ deux cent mille mètres cubes d'hydrogène — le seul gaz porteur disponible, car les États-Unis avaient refusé d'exporter de l'hélium, dont ils détenaient le monopole effectif, vers l'Allemagne nazie. L'incendie dura environ trente-quatre secondes et la destruction totale du dirigeable prit environ trente-sept secondes.

Le commentaire radiophonique emblématique du reporter Herb Morrison (« Oh, the humanity ! ») et les images d'actualités dramatiques du dirigeable en feu créèrent une association durable dans l'esprit du public entre l'hydrogène et le feu catastrophique. Cependant, des analyses ultérieures ont suggéré que l'incendie du Hindenburg avait été initialement déclenché par l'ignition du revêtement extérieur en tissu du dirigeable — qui était enduit d'un apprêt hautement inflammable contenant de l'oxyde de fer et du nitrate de cellulose — plutôt que par l'hydrogène lui-même, et que l'incendie d'hydrogène qui s'ensuivit fut moins meurtrier que ce à quoi on aurait pu s'attendre d'un incendie de carburant conventionnel de taille similaire. Le taux de survie fut en réalité remarquablement élevé (soixante-deux des quatre-vingt-dix-sept personnes à bord survécurent) en partie parce que l'hydrogène, étant plus léger que l'air, brûle vers le haut et s'éloigne des personnes situées en dessous plutôt que de s'écouler vers le bas comme le font les carburants liquides.

Néanmoins, la catastrophe du Hindenburg mit effectivement fin à l'ère des dirigeables commerciaux remplis d'hydrogène et créa dans l'esprit du public une perception de l'hydrogène comme étant particulièrement dangereux qui a persisté jusqu'au vingt et unième siècle. Les experts en sécurité considèrent généralement cette perception comme exagérée : l'hydrogène, bien qu'il présente réellement des défis de sécurité différents de ceux des carburants conventionnels (sa large plage d'inflammabilité, ses flammes invisibles et son extrême flottabilité nécessitent des protocoles spécifiques d'ingénierie et de manipulation), n'est pas intrinsèquement plus dangereux que l'essence ou le gaz naturel lorsque des mesures de sécurité appropriées sont en place.

Comment l'hydrogène est produit : le spectre des couleurs

L'industrie de l'hydrogène a développé un système de classification informel par « couleur » pour distinguer l'hydrogène produit par différentes méthodes, principalement en fonction des émissions de carbone associées à la production. Bien que les couleurs n'aient aucune signification chimique — tout le gaz hydrogène est identique quelle que soit sa méthode de production — la classification est devenue largement utilisée dans les discussions politiques et les communications industrielles.

L'hydrogène gris est produit par reformage à la vapeur de méthane (SMR), la méthode de production d'hydrogène dominante à l'échelle mondiale, représentant environ quarante-huit pour cent de la production mondiale d'hydrogène. Le SMR fait réagir du gaz naturel (principalement du méthane) avec de la vapeur à haute température (700 à 1000 degrés Celsius) sur un catalyseur de nickel pour produire de l'hydrogène et du monoxyde de carbone ; le monoxyde de carbone réagit ensuite avec la vapeur dans une réaction de « conversion eau-gaz » pour produire de l'hydrogène supplémentaire et du dioxyde de carbone. La réaction globale consomme une quantité substantielle d'énergie (le procédé est endothermique) et produit environ neuf à douze tonnes de CO2 pour chaque tonne d'hydrogène produite. Le SMR est la méthode de production d'hydrogène la moins coûteuse actuellement, avec des coûts généralement compris entre un et deux dollars par kilogramme, ce qui fait de l'hydrogène gris la matière première industrielle dominante.

L'hydrogène brun ou noir est produit par gazéification du charbon, dans laquelle le charbon réagit avec de la vapeur et de l'oxygène à haute température pour produire un mélange d'hydrogène, de monoxyde de carbone et de dioxyde de carbone (connu sous le nom de « gaz de synthèse » ou « syngas »). La gazéification du charbon est utilisée principalement en Chine, qui possède la plus grande industrie chimique basée sur le charbon au monde et utilise massivement l'hydrogène dérivé du charbon dans la production d'ammoniac et d'autres applications chimiques. La gazéification du charbon produit environ dix-neuf à vingt-quatre tonnes de CO2 par tonne d'hydrogène — sensiblement plus que le SMR — ce qui en fait la méthode de production la plus intensive en carbone.

L'hydrogène bleu est produit par SMR ou gazéification du charbon avec captage et stockage du carbone (CSC), dans lequel le CO2 produit est capté avant d'être libéré dans l'atmosphère et injecté dans des formations géologiques souterraines pour un stockage permanent. L'hydrogène bleu peut théoriquement atteindre des réductions d'émissions de CO2 de quatre-vingts à quatre-vingt-dix pour cent par rapport à l'hydrogène gris, bien que la réduction effective des émissions dépende de l'efficacité du système de captage du carbone et de la gestion des fuites de méthane provenant des infrastructures de gaz naturel. L'hydrogène bleu a été proposé comme technologie de « transition bas carbone » pendant la transition vers l'hydrogène vert, avec de nombreux projets proposés ou en cours de développement au Royaume-Uni, aux États-Unis, au Canada, en Australie et aux Pays-Bas. Les critiques soutiennent que les fuites de méthane provenant des infrastructures de production et de distribution de gaz naturel réduisent substantiellement les avantages climatiques de l'hydrogène bleu par rapport à sa valeur théorique.

L'hydrogène vert est produit par électrolyse de l'eau alimentée par de l'électricité renouvelable. L'électrolyse de l'eau utilise un courant électrique pour décomposer les molécules d'eau en hydrogène et en oxygène : à la cathode (électrode négative), les ions hydrogène captent des électrons et forment du gaz hydrogène ; à l'anode (électrode positive), les molécules d'eau perdent des électrons et forment du gaz oxygène. Lorsque l'électricité est fournie par l'éolien, le solaire ou l'hydroélectricité, la production d'hydrogène vert ne produit aucune émission directe de gaz à effet de serre. L'hydrogène vert est actuellement la méthode de production d'hydrogène la plus coûteuse, avec des coûts généralement compris entre trois et huit dollars par kilogramme selon les coûts de l'électricité et les coûts d'investissement des électrolyseurs — deux à quatre fois le coût de l'hydrogène gris. Cependant, la baisse rapide des coûts de l'électricité renouvelable et de la technologie des électrolyseurs devrait rendre l'hydrogène vert compétitif par rapport à l'hydrogène gris dans de nombreuses régions d'ici les années 2030.

L'hydrogène turquoise est produit par pyrolyse du méthane — la décomposition thermique du méthane à haute température (environ 600 à 1500 degrés Celsius) en l'absence d'oxygène, produisant de l'hydrogène et du carbone solide (noir de carbone) plutôt que du CO2. Le carbone étant produit sous forme solide, il peut théoriquement être stocké ou utilisé comme matériau industriel (le noir de carbone est utilisé dans la fabrication de pneus, d'encres et d'autres applications) sans libérer de CO2 dans l'atmosphère. La pyrolyse du méthane est à un stade précoce de développement commercial, avec des entreprises incluant Monolith Materials au Nebraska et BASF en Allemagne qui développent des réacteurs à l'échelle commerciale.

L'hydrogène rose (également appelé rouge ou violet) est produit par électrolyse de l'eau alimentée par de l'électricité nucléaire. L'hydrogène rose a essentiellement zéro émission directe de carbone si la source d'électricité nucléaire est considérée comme exempte de carbone. Le Japon et la France ont manifesté un intérêt pour l'hydrogène rose comme moyen d'utiliser leurs importantes flottes nucléaires pour produire de l'hydrogène propre.

L'hydrogène jaune est un terme moins couramment utilisé pour désigner l'hydrogène produit par électrolyse utilisant de l'électricité du réseau — dont l'intensité carbone dépend du mix électrique du réseau.

La production mondiale d'hydrogène au début des années 2020 était d'environ quatre-vingt-quinze millions de tonnes par an, dont environ quatre-vingt-quinze pour cent était produit à partir de combustibles fossiles (principalement le gaz naturel et le charbon) sans captage du carbone. L'hydrogène vert représentait moins d'un pour cent de la production mondiale — une fraction infime que les stratégies hydrogène de nombreux pays visent à développer considérablement.

Le procédé Haber-Bosch : la plus grande application industrielle de l'hydrogène

Le procédé Haber-Bosch pour la synthèse de l'ammoniac — l'application industrielle la plus importante de l'hydrogène — mérite un examen approfondi en raison de son impact profond sur la civilisation humaine et de sa centralité dans toute discussion sur le rôle de l'hydrogène dans les systèmes énergétiques et alimentaires mondiaux.

L'azote atmosphérique (N2) est le composant dominant de l'atmosphère terrestre (environ soixante-dix-huit pour cent en volume) mais est chimiquement inerte dans des conditions ordinaires — la triple liaison entre les deux atomes d'azote est l'une des liaisons les plus solides en chimie et nécessite une énergie considérable pour être rompue. Pourtant, l'azote est un élément essentiel pour la croissance des plantes, et le cycle de l'azote — les processus biologiques et géochimiques par lesquels l'azote est converti entre le N2 atmosphérique et des formes biologiquement disponibles — était la principale contrainte sur la productivité agricole tout au long de l'histoire humaine.

Fritz Haber (1868-1934), travaillant à l'Université technique de Karlsruhe en Allemagne, s'attaqua au problème de la fixation de l'azote à partir de 1904, cherchant une méthode pratique pour convertir l'azote atmosphérique en ammoniac (NH3) — une forme que les plantes peuvent utiliser. En 1909, Haber démontra un procédé à l'échelle de laboratoire qui faisait réagir de l'azote et de l'hydrogène sur un catalyseur de fer à haute température (environ 400 à 600 degrés Celsius) et à haute pression (environ 200 atmosphères) pour produire de l'ammoniac : N2 + 3H2 → 2NH3. L'idée clé était que ni la température seule ni la pression seule n'étaient suffisantes — la combinaison des deux, avec le bon catalyseur, permettait à la réaction de progresser à un taux commercialement viable.

Carl Bosch (1874-1940), travaillant chez BASF (Badische Anilin und Soda Fabrik), dirigea le remarquable effort d'ingénierie visant à faire passer le procédé de laboratoire de Haber à la production industrielle. L'équipe de Bosch dut développer de nouveaux réacteurs à haute pression capables de résister aux conditions corrosives à 200 atmosphères et 500 degrés Celsius, de nouvelles formulations de catalyseurs restant actifs sur de longues périodes de fonctionnement, et des approches entièrement nouvelles en matière d'ingénierie des procédés. La première usine commerciale d'ammoniac Haber-Bosch commença à fonctionner à Oppau, en Allemagne, en 1913, produisant environ trente tonnes d'ammoniac par jour. Haber et Bosch reçurent tous deux des prix Nobel de chimie (Haber en 1918, Bosch en 1931) pour leurs contributions.

La signification humanitaire du procédé Haber-Bosch est difficile à surestimer. Avant les engrais azotés synthétiques, les rendements agricoles étaient limités par la disponibilité des sources d'azote naturelles — fumier, rotations avec des légumineuses, et gisements de guano et de nitrates exploités (principalement au Chili). Le développement de l'engrais ammoniacal synthétique a permis des augmentations spectaculaires des rendements des cultures, soutenant la croissance de la population mondiale d'environ 1,6 milliard en 1900 à environ 8 milliards aujourd'hui. Les démographes estiment que sans le procédé Haber-Bosch, la terre ne pourrait accueillir que trois à quatre milliards de personnes selon les normes nutritionnelles actuelles — ce qui signifie que plus de la moitié des êtres humains vivants doivent leur existence à ce procédé chimique.

Le procédé Haber-Bosch consomme environ cent cinquante millions de tonnes de gaz naturel par an à l'échelle mondiale, produisant environ deux cents millions de tonnes d'ammoniac (dont environ quatre-vingts pour cent sont utilisés pour la production d'engrais). L'hydrogène consommé dans ce procédé — environ trente millions de tonnes par an — représente environ un tiers de la production mondiale d'hydrogène. La décarbonation de la production d'ammoniac en passant de l'hydrogène gris à l'hydrogène vert est l'une des applications les plus importantes et potentiellement réalisables à court terme de l'électrolyse à grande échelle, et constitue un domaine d'investissement majeur pour les entreprises d'engrais et les compagnies énergétiques du monde entier.

Les électrolyseurs : la technologie de la production d'hydrogène vert

L'électrolyseur — le dispositif qui utilise l'électricité pour décomposer l'eau en hydrogène et en oxygène — est la technologie centrale de l'économie de l'hydrogène vert. Trois principales technologies d'électrolyseurs sont en cours d'utilisation ou de développement, chacune avec des caractéristiques différentes en termes d'efficacité, de conditions de fonctionnement, de matériaux et de coût.

Les électrolyseurs alcalins, la technologie la plus ancienne et la plus mature, utilisent un électrolyte alcalin liquide (généralement une solution d'hydroxyde de potassium) pour conduire les ions entre les électrodes. Les électrolyseurs alcalins ont été utilisés dans des applications industrielles — notamment la production chlore-alcali et l'hydrogène pour l'hydrogénation dans l'industrie alimentaire — depuis le début du vingtième siècle. Ils sont robustes, ont une longue durée de vie et utilisent des matériaux d'électrode relativement peu coûteux (nickel plutôt que platine). Leurs principaux inconvénients sont une densité de courant plus faible (ce qui signifie une plus grande surface — et un coût d'investissement plus élevé — par unité de production d'hydrogène) et une capacité limitée à fonctionner de manière dynamique avec des entrées d'électricité renouvelable variable, car ils préfèrent un fonctionnement en régime permanent. De grands électrolyseurs alcalins fabriqués par des entreprises telles que Nel Hydrogen (Norvège), ThyssenKrupp Nucera (Allemagne) et Tianjin Continental (Chine) sont disponibles dans le commerce à des échelles de mégawatts à centaines de mégawatts.

Les électrolyseurs à membrane échangeuse de protons (MEP) utilisent une membrane polymère solide (généralement une membrane en acide perfluorosulfonique similaire au Nafion) comme électrolyte. Les électrolyseurs MEP peuvent fonctionner à haute densité de courant, répondre rapidement aux variations d'apport électrique (ce qui les rend bien adaptés à l'association avec des énergies renouvelables intermittentes) et produire de l'hydrogène de très haute pureté. Leurs principaux inconvénients sont un coût plus élevé (en raison de l'utilisation de catalyseurs