L'Europe parie sur l'hydrogène

27 Janvier 2021 Energie

Les gouvernements européens risquent des milliards d'euros en pariant que l'hydrogène deviendra progressivement un vecteur énergétique "propre, sûr et abordable". Mais ce n'est peut-être qu'un vœu pieux, estiment Claude Crampes et Stefan Ambec, experts en énergie de TSE, à moins d'une baisse significative des coûts de production et de distribution.

La dernière star de la scène énergétique est incontestablement l'hydrogène. En juin, l'Allemagne a promis d'investir 9 milliards d'euros dans les technologies de l'hydrogène, éclipsant le plan français de 2018 et ses 100 millions d'euros par an. En juillet, la Commission européenne a annoncé sa stratégie visant à produire 1 million de tonnes d'"hydrogène renouvelable" d'ici 2024 en portant à au moins 6GW le parc existant d'électrolyseurs de 1GW, alimentés principalement par du charbon ou du gaz naturel, grâce aux énergies renouvelables. De 2024 à 2030, son objectif est de 10 millions de tonnes avec une capacité de 40GW.

Le plan de relance français 2020 (Relance France) prévoit d'investir 2 milliards d'euros dans la filière hydrogène au cours des deux prochaines années, et 7 milliards d'euros d'ici 2030. La demande sera soutenue par des prix de rachat garantis similaires à ceux dont bénéficient les producteurs d'énergie éolienne et solaire, un mécanisme qui s'est révélé coûteux mais efficace pour développer les installations de production et réduire le coût de ces sources d'énergie.

Ces programmes ont plusieurs objectifs : Décarboniser la production pour les industries telles que le raffinage du pétrole et la production d'engrais qui ne peuvent se passer de l'hydrogène ; Étendre les utilisations aux transports, à la construction, à la production d'électricité et à l'industrie manufacturière ; Développer un savoir-faire de niveau mondial dans ce secteur. Mais tous ces milliards ne vont-ils pas s'écouler par les trous d'un nouveau baril de Danaïdes?

Compter les coûts

Plus de 90% de l'hydrogène industriel est actuellement produit par extraction chimique d'hydrocarbures fossiles, émettant ainsi des gaz à effet de serre. L'hydrogène peut également être obtenu par l'électrolyse de l'eau, mais la propreté de ce procédé dépend de l'énergie utilisée.

L'hydrogène a une large gamme d'utilisations mais les coûts de distribution sont élevés. Il corrode les alliages, ce qui peut entraîner des défaillances catastrophiques. Il est très volumineux à l'état gazeux et a une très faible puissance énergétique, il doit donc être comprimé ou liquéfié (à -252°C), puis distribué et retransformé en énergie utilisable.

L'efficacité de la conversion de l'électricité en hydrogène et de sa retransformation en électricité est très faible : aujourd'hui, il faut injecter près de 5kWh pour en récupérer 1kWh.
L'hydrogène renouvelable (2,5-5,5€/kg) n'est actuellement pas compétitif par rapport à l'hydrogène produit à partir de combustibles fossiles (environ 1,5€/kg, hors coût du CO2). Même en ajoutant le captage et la séquestration du carbone, ce dernier revient à environ 2€/kg. Les optimistes de l'hydrogène vert soulignent le coût des électrolyseurs, qui a chuté de 60 % au cours de la dernière décennie. La Commission européenne prévoit que les économies d'échelle permettront de réduire ce coût de 50 % supplémentaires d'ici 2030.

L'hydrogène contre les piles

Stockage : Pour rentabiliser la double conversion électricité/hydrogène, il faut des ventes à prix élevé et des achats à bas prix pour couvrir les coûts d'installation et de maintenance. Sur un cycle quotidien, il peut être rentable de répondre à des pics élevés le matin et le soir. Mais le stockage à plus long terme dans des réservoirs est le domaine où l'hydrogène peut surpasser les batteries dans le cadre des solutions requises pour un mélange d'électricité 100 % renouvelable.

Le transport : Les endroits les plus venteux ou les plus ensoleillés ne sont pas nécessairement les plus peuplés. L'hydrogène et les carburants à base d'hydrogène pourraient permettre de transporter l'énergie renouvelable sur des milliers de kilomètres entre les lieux de production (avec des prix bas) et les lieux de consommation (avec des prix élevés). Mais là encore, les coûts d'installation et d'entretien des infrastructures, ainsi que les pertes dues au transport et à la double conversion, sont plus élevés que ceux de la construction de lignes à haute tension.

Combustible : qu'ils utilisent un moteur à combustion interne ou un moteur électrique relié à une pile à combustible, les moteurs à hydrogène produisent de l'énergie et de l'eau en combinant l'hydrogène et l'oxygène de l'air. La propreté de cette conversion est idéale pour les transports urbains. Le grand avantage de l'hydrogène par rapport aux véhicules électriques "toutes batteries" est la rapidité de recharge. L'inconvénient est le volume et le poids beaucoup plus importants du réservoir, par rapport à l'essence et au diesel.

Des enjeux importants

Les électrolyseurs sont une chose, leur utilisation de l'électricité verte en est une autre. Les plans ci-dessus semblent négliger les investissements nécessaires dans l'énergie éolienne et solaire pour séparer l'hydrogène et l'oxygène, dans le stockage et la distribution, et dans les équipements de conversion aux points de consommation. En France, la fourniture d'énergie nucléaire aux électrolyseurs est une solution décarbonée, mais certainement pas "verte". Mais à long terme, la multiplication des unités de production d'énergie renouvelable va créer des tensions sur l'occupation de l'espace, tant sur terre qu'en mer.

Après avoir soutenu les énergies renouvelables et les voitures électriques, l'Allemagne et la France misent sur l'hydrogène pour concilier décarbonisation et progrès technique. C'est un pari coûteux et risqué. L'un des gains serait une avance technologique sur une ressource énergétique essentielle, à condition que les prix d'achat garantis n'encouragent pas le développement d'un secteur à bas coût en dehors de l'Europe. Mais l'urgence climatique impose également aux pays émergents de s'éloigner rapidement des combustibles fossiles, et donc une large diffusion des technologies décarbonées.

TSE Mag #21 Hiver 2021

Illustration Bill Oxford on Unsplash