L’Union Européenne, engagée dans une transition énergétique visant à décarboner l’économie, réanime l’espoir d’une société hydrogène. Les plans de relance de la France et de l’Allemagne prévoient des investissements de plusieurs milliards pour la construction d’une filière hydrogène verte complète, de la production à l’usage, destinée en priorité à la mobilité. Les années 70 ont déjà vu une telle démarche s’enclencher à la suite des chocs pétroliers…mais en vain.
Dans cet article, SpinPart vous apporte un éclairage sur les raisons qui expliquent cet engouement et les obstacles à prendre en compte pour le développement d’une filière hydrogène verte au 21ème siècle.
Des technologies existantes insuffisantes pour garantir l’indépendance énergétique et décarbonée de l’UE
L’UE vise à être neutre en carbone en 2050, incluant un jalon à -40% d’émissions en 2030 (voire -55%). Afin de respecter ses engagements internationaux, il est indispensable de modifier en profondeur le secteur de la mobilité qui représente 25% des émissions. Le développement des transports en commun, du fret ferroviaire et des mobilités douces (vélo, marche à pied) répond à une partie de la problématique. Il est cependant nécessaire d’avoir des véhicules non carbonés pour les usages indispensables (déplacements quotidiens en zones rurales, véhicules d’urgence, transport de marchandises au dernier km, etc.).
Pour répondre à ce besoin, deux formes de mobilités coexistent à grande échelle aujourd’hui. Chacune avec ses forces et faiblesses :
Aucune de ces deux formes ne répond véritablement aux enjeux de l’Union Européen sur le long terme.
L’hydrogène est régulièrement cité comme la réponse idéale. Qu’en est-il vraiment ?
L’espoir de la mobilité hydrogène : un véhicule propreà un prix abordable avec un réseau de recharge adapté
La terminologie courante de « véhicule à hydrogène » (1) décrit un véhicule fonctionnant avec une pile à combustible. Il se compose d’un moteur électrique et d’un générateur chimique à pile à combustible. La pile à combustible permet de générer de l’électricité alimentant le moteur du véhicule tout en rechargeant la batterie.
La principale technologie utilisée dans l’automobile est la PEMFC (2) qui utilise aussi bien du dihydrogène que du bioéthanol et qui comporte de nombreux avantages : compacte, adaptée à tous types de véhicules, et fonctionne à basse température (70-80°C). Enfin, elle fonctionne aussi bien au dihydrogène qu’au bioéthanol. La principale limite de ce type de pile réside dans l’utilisation de platine comme catalyseur qui augmente son coût de fabrication et son impact écologique.
D’autres technologies n’utilisant pas de platine existent, comme par exemple les SOFC (3), qui fonctionnent à très haute température (entre 500 et 1000 °C) : l’apport important de chaleur se substitue au platine comme catalyseur. Cette technologie est pour l’instant uniquement utilisable pour des mobilités lourdes (Maritime, Fret routier, etc.)
Quelle que soit la pile à combustible, un second élément s’ajoute à l’équation économique d’un véhicule, le coût élevé du réservoir de stockage de l’hydrogène. En effet, un réservoir résistant à la haute pression (700 bars) est primordial pour obtenir une autonomie de 500 km sur un véhicule particulier.
Le réservoir constitue surtout une problématique de sécurité pour l’ensemble des constructeurs. Le dihydrogène étant compressé à haute pression, il en devient très explosif en cas d’impact important s’il reste confiné. En revanche, à l’inverse des autres gaz de type GNV ou GPL, la légèreté du dihydrogène le rend moins dangereux en cas de fuite du réservoir car le moindre interstice peut lui permettre de s’échapper dans l’environnement extérieur avec peu de risques d’asphyxie. A noter également que le dihydrogène contient 3,5 fois moins d’énergie explosive que le GNV.
Un comparatif rapide permet de déterminer le type de véhicule adapté en fonction de l’usage :
Le coût global du véhicule à hydrogène est plus élevé (coût initial et prix de recharge). Son autonomie et son temps de recharge en font une meilleure alternative vis-à-vis du véhicule électrique pour la mobilité longue distance et la mobilité lourde (fret routier et maritime, etc.).
Chercher à développer ce type de mobilité implique un investissement dans l’aménagement du réseau de stockage et de distribution de dihydrogène. A ce jour, une quarantaine de stations de recharge seulement sont implantées et ouvertes au public en France. Se focaliser dans un premier temps sur l’usage longue distance nécessitera un réseau moins dense de stations, et donc un investissement plus progressif.
D’autre part, des évolutions technologiques et un développement à grande échelle sont nécessaires pour rendre le coût unitaire du véhicule plus abordable, notamment en s’appuyant sur les constructeurs européens. Intégrer ces derniers leur permettra demain d’être leaders du marché.
Enfin, le facteur clé favorisant la technologie hydrogène est le fait que son usage n’émette aucune pollution. Mais qu’en est-il de la production d’hydrogène ?
Les enjeux autour de sa production : verdir et augmenter les capacités productives
Le dihydrogène n’est pas à proprement parlé une source d’énergie mais un vecteur. La production actuelle de dihydrogène, compte tenu de son coût, est effectuée à 95% via l’utilisation de combustible fossile contre 5% via de l’électricité. En effet, le prix fossile est de 1,5 à 2,5€/kg contre 6 à 12€/kg de dihydrogène pour l’électricité selon France Stratégie [A].
La technique la plus utilisée est le vaporeformage (4) à base de méthane (CH4). Le mécanisme consiste en une double réaction chimique initiée à haute température (entre 840 et 950°C) fortement émettrice de C02. Elle est utilisée par l’industrie (fertilisants, aérospatial) et représente aujourd‘hui 3% des émissions de C02 de la France.
La production électrique du dihydrogène se fait par électrolyse. Cette solution répond aux enjeux climatiques si la production électrique est décarbonée (renouvelable ou nucléaire) selon le principe suivant :
[B] Infographie Le Monde
Afin de réduire son coût, de forts investissements doivent être consentis en R&D et en industrialisation pour développer de nouvelles capacités productives. Il est possible que les facteurs d’échelles et les avancées techniques permettent de réduire les coûts, à l’image de ce qui a été fait avec les ENR depuis 15 ans. De plus, l’Europe peut s’appuyer sur un ensemble d’acteurs privés pour constituer une filière indépendante (5) (Air Liquide, Engie, GRDF, etc.).
Dans le cadre d’un usage généralisé pour la mobilité, les capacités productives en hydrogène et en électricité devront être augmentées : l’énergie finale pétrolière utilisée pour la mobilité en France représente 68 Mtep (Tep : Tonnes équivalent pétrole). Produire l’équivalent d’électricité nette implique une augmentation d’environ 560TWh/an (6), soit un doublement de la production actuelle (550 TWh net en 2018).
Un avenir qui reste à confirmer
Le développement d’une filière hydrogène verte répond à la fois aux enjeux climatiques et environnementaux, à une indépendance stratégique avec des acteurs européens et à une mobilité économiquement viable. Si l’Europe confirme sa détermination à sortir progressivement d’une mobilité carbonée dans le cadre de son plan climat, l’hydrogène pourrait remplacer le pétrole pour une partie des usages liés à la mobilité (transports lourds, longue distance). De nombreux freins restent à lever tels que le coût du véhicule, les infrastructures de distribution et la production verte de l’hydrogène à grande échelle.
Deux éléments permettront d’accélérer le déploiement de la filière :
- Accompagner la transition pour rendre l’hydrogène progressivement compétitif et accessible face aux solutions fossiles dont le prix de production reste marginal et les infrastructures déjà existantes
- Repenser nos usages et nos besoins énergétiques en vue de les rationaliser afin d’accélérer et réduire le coût global de la transition
Notes et sources :
- Le véhicule à hydrogène au sens propre du terme est un véhicule disposant d’un moteur « classique » à combustion interne fonctionnant sur le principe du moteur à explosion. Aujourd’hui, cette technologie est progressivement abandonnée en raison des quantités importantes de dihydrogène nécessaires et des contraintes de compression.
- PEMFC : Pile à Membrane échangeuse de protons ou Proton Exchange Membrane Fuel Cell
- Solid Oxyd Fuel Cell
- On produit également du dihydrogène via d’autres énergies fossiles à partir de la combustion partielle d’une matière organique (charbon, biomasse, etc.) en présence d’air ou d’oxygène (nommée gazéification)
- Hypothèse : ~60% de rendement pour la pile à combustible, ~70% de rendement pour l’électrolyse contre un rendement de ~30% dans un moteur thermique soit un facteur d’équivalence de 1,4 en faveur de l’hydrogène vis-à-vis de la production d’électricité nette. [A] Y a-t-il une place pour l’hydrogène dans la transition énergétique ? », Note d’analyse de France Stratégie, août 2014. [B] https://www.lemonde.fr/economie/article/2020/09/27/l-hydrogene-nouvel-eldorado_6053802_3234.html
[A] Y a-t-il une place pour l’hydrogène dans la transition énergétique ? », Note d’analyse de France Stratégie, août 2014.
[B] https://www.lemonde.fr/economie/article/2020/09/27/l-hydrogene-nouvel-eldorado_6053802_3234.html