Hydrogène les atouts de la filière française… et ses faiblesses

« L’hydrogène est une molécule extrêmement simple, mais c’est un sujet particulièrement complexe! » D’une boutade, Marc Florette, le coordinateur du rapport intitulé « Rôle de l’hydrogène dans une économie décarbonée » (voir encadré page 43) résume la difficulté à dresser un état des lieux exhaustif. « C’est un sujet multiforme, dans lequel chaque approche conduit à des ramifications… Si je devais résumer, je dirais que techniquement, c’est au point, mais sur le plan économique, c’est un pari. » Concernant les mobilités, un des trois usages principaux de l’hydrogène avec la production industrielle et le stockage d’énergie, le rapport concède que personne ne sait, pour l’heure, comment se fera la distribution entre le marché des véhicules électriques 100 % batterie et celui des véhicules électriques hybrides batterie/hydrogène. Une inconnue qui concerne autant le marché français que les marchés européen et mondial.

La seule certitude étant que la transition du véhicule à moteur thermique vers les véhicules électriques et les véhicules hydrogène/électrique sera lente, ne serait-ce qu’à cause de la profondeur du marché des véhicules d’occasion. Cette progressivité pose un problème industriel de taille de marché et de développement des infrastructures. Il y a un consensus pour supposer que les premières séries industrielles de composants seront pour des flottes commerciales captives et des transporteurs routiers, qui n’ont ni la même approche financière et économique que les acheteurs de voiture individuelle ni le même taux d’utilisation. De ce point de vue, il est souhaitable de paralléliser le développement de la production de l’hydrogène vert et l’usage de l’hydrogène, quel qu’il soit.

L’usage de l’hydrogène dans la mobilité se concentrera sur les domaines où l’autonomie et le temps de charge sont prédominants, et où l’encombrement du système de conversion d’énergie et de stockage est compatible avec la taille et les capacités du véhicule. Cela permettra de lancer les premières séries de composants, de les tester, d’adapter les règlements et la structure des véhicules. Les académiciens recommandent donc de soutenir la création d’un écosystème où les synergies technologiques développées permettront de lancer la production industrielle de systèmes destinés à être embarqués dans les véhicules (piles à combustible, dispositifs de stockage, électronique de puissance et contrôles-commandes pour assurer le fonctionnement et la sécurité…). Des démonstrateurs et des têtes de série sont nécessaires à la stratégie d’ensemble pour assurer sa crédibilité et assurer que tous les éléments du système sont bien pris en compte et industrialisés.

« L’hydrogène ne pourra pas – économiquement, techniquement, physiquement – équiper 100 % du parc français de véhicules, tempère Marc Florette. Mais il est certain qu’un véhicule à hydrogène a une autonomie bien supérieure à un autre fonctionnant avec des batteries. Il s’agit de deux engins électriques mais les kilowatts embarqués en hydrogène prennent moins de place et pèsent moins lourd que les systèmes à batterie. » Par ailleurs, si certaines mobilités ne peuvent être décarbonées par des batteries électriques dont la densité massique et volumique d’énergie est trop faible, la traction ferroviaire et les navires (sur de courtes distances, mais aussi en stationnaire au port) pourront recourir à l’hydrogène en substitution des hydrocarbures et notamment du fioul lourd. Pour l’aviation, le besoin de forte puissance pour la propulsion des gros-porteurs rend très peu probable une solution hydrogène qui, même comprimé à 700 bars, reste à volume égal une source d’énergie presque huit fois moins concentrée que le kérosène.

Mais attention: « Si on voulait traiter toutes les mobilités avec de l’hydrogène décarboné, ce serait impossible! » Les différents usages possibles de l’hydrogène – pour les mobilités ou pour l’industrie – seront en concurrence, alors que les capacités de production par électrolyse sont nécessairement limitées. Par exemple, produire ainsi la moitié de l’hydrogène actuellement consommé en France (922 kt) nécessiterait près de 50 TWh d’électricité; de quoi alimenter une dizaine de millions de véhicules électriques légers, soit environ le tiers du parc; l’hydrogène pourrait également être utilisé pour décarboner certaines industries ou pour produire du gaz et des carburants de synthèse. Ces différents usages nécessiteraient près de 300 TWh d’électricité, ce qui dépasse de très loin les excédents d’électricité intermittente d’un mix 100 % renouvelable.

Les différentes filières électricité, gaz et hydrogène sont interdépendantes et une approche systémique de la production et des usages de l’hydrogène est nécessaire. Le développement de la filière hydrogène nécessitera la création d’infrastructures considérables pour sa production, sa distribution aux véhicules, sa transformation en méthane ou carburants liquides de synthèse ou, après stockage, en électricité, etc. Or, ces investissements vont devoir être menés alors que la demande n’est pas encore effective: seul l’État peut assumer ce risque.

« Une des difficultés à traiter, c’est l’infrastructure. Marc Florette poursuit: Ainsi, cette mobilité à l’hydrogène, on la fera avec un nombre limité de points de distribution… » Les mobilités individuelles demandent un réseau très maillé: il y a en France environ 11 000 points de distribution de carburant. Même en acceptant un maillage réduit à 20 km par 20 km, il faudrait 2 500 points de distribution d’hydrogène. Or, une station de distribution d’hydrogène nécessite des investissements sensiblement supérieurs à un million d’euros, et doit soit être alimentée (par camions actuellement, éventuellement par gazoduc à terme), soit produire sur place l’hydrogène par électrolyse (l’investissement est alors de 80 % environ plus élevé). Au-delà des quelques démonstrateurs existants, de telles installations ne peuvent être rentabilisées qu’avec des volumes distribués importants.

« Autre grand sujet à traiter, prévient Marc Florette, la sécurité. Car si on maîtrise le risque en milieu industriel, il y a un travail à faire pour l’utilisation de l’hydrogène dans les transports, qu’il s’agisse des normes, des réglementations, des actions à mener en cas de problème… » La faible densité volumique de l’hydrogène gazeux implique souvent de le stocker sous haute pression (900 bars dans les stations de remplissage pour les applications de mobilité) afin de réduire la taille des réservoirs. Les précautions d’emploi de l’hydrogène sont en lien avec la quantité stockée, le débit ou même la qualité de l’hydrogène. Les scénarios à prévenir sont ceux dans lesquels de l’hydrogène pourrait être libéré, car il serait alors susceptible de créer un mélange inflammable avec l’air puis de produire une flamme ou une explosion génératrice d’importants dégâts. Toutefois, les stations-service de recharge en hydrogène déjà opérationnelles dans un certain nombre de pays offrent un retour d’expérience, et l’Ademe, en collaboration avec l’Ineris et les membres de l’Afhypac, a édité des documents de bonnes pratiques sur la sécurité des installations de production décentralisée, sur les stations-service de recharge d’hydrogène ainsi que sur la sécurité des véhicules à hydrogène.

Si l’Académie des technologies juge indispensable l’intervention de l’État en matière de production, d’usage et de distribution de l’hydrogène, elle souhaite également un pilotage national pour les démonstrateurs mis en place dans les régions. « L’engouement des territoires est réjouissant mais il est important de tenir compte des retours d’expérience afin de ne pas reproduire les erreurs déjà commises par d’autres… » Selon le rapport, « quelques projets entrent dans des programmes vastes de recherche et développement. Mais d’autres visent essentiellement à être des vitrines de solutions techniques connues et souvent importées; il convient de valoriser les opérations de démonstration en veillant à ce qu’elles n’aient pas comme principale conséquence l’importation d’équipements produits en Asie ou en Amérique du Nord. Elles doivent être encadrées au niveau national, et un bilan périodique et transparent de ces opérations doit être mené ».

De quoi faire grincer quelques dents… Par ailleurs, l’Académie relève que si la recherche publique française a permis d’identifier de nombreuses technologies prometteuses, le développement de ces technologies est insuffisamment soutenu et leur passage au stade de pilote industriel doit être encouragé. Il en est de même des techniques de transport où la R&D française est présente, mais parfois pas sur le territoire national, faute d’un encadrement réglementaire adéquat. Le document souligne enfin qu’il existe une opportunité pour la France de développer une nouvelle industrie dans le bon timing. L’écosystème français des équipementiers est bien vivant et il couvre les technologies clés (électrolyseur, pile à combustible, réservoirs embarqués, etc.) qui sont presque toutes matures et industrialisables. Néanmoins il s’agit de petites, voire très petites sociétés, qui auront des difficultés à appréhender un développement sur le marché mondial, ce qui implique des coûts de prospection commerciale très élevés.

Une consolidation du secteur s’imposera tôt ou tard et d’ici là, les petits acteurs auront besoin de l’appui et de la crédibilité d’acteurs plus puissants, en évitant de tarir leur créativité et leur agilité. Cet écosystème doit bénéficier d’appels d’offres ciblés en France et en Europe pour aider les entreprises à grandir. En outre, ces sociétés sont confrontées aux problématiques de management de la croissance et de disponibilité de fonds propres bien connus à ce stade de développement. Il convient donc, selon le rapport, de mettre en place une politique de soutien des entreprises pour toutes les composantes de la filière hydrogène, notamment les maillons à valeur ajoutée, en privilégiant les équipementiers français par l’amplification de prises de participation, de soutiens en fonds propres, d’aides remboursables, d’aides à la trésorerie, et en favorisant les coopérations entre acteurs à gouvernance française ou au moins européenne.

Créée en 2000, l’Académie des technologies est un établissement public administratif national dont le siège est à Paris et qui est placé sous la tutelle du ministre chargé de la recherche. L’Académie réunit 337 académiciens, experts de leur secteur: technologues, ingénieurs et industriels, mais aussi chercheurs, agronomes, architectes, médecins, sociologues, économistes, avec une forte représentation des directeurs de R&D des entreprises industrielles. « Notre objectif est de faire le pont entre les aspects scientifiques et les applications utiles à la société avec une devise: pour un progrès raisonné, choisi et partagé » , explique Marc Florette, le coordinateur du rapport qui a nécessité 18 mois de travail. Aujourd’hui à la retraite, Marc Florette a été membre du comité exécutif d’Engie, directeur digital rattaché au PDG, et a été en charge de la transformation digitale d’Engie. Il était auparavant directeur de la recherche et de l’innovation chez GDF Suez/Engie.

L’essentiel de l’hydrogène français est actuellement produit par vaporeformage d’hydrocarbures, des procédés matures mais fortement émetteurs de CO₂. Les procédés de production par électrolyse (alcaline ou avec membranes échangeuses de protons) sont matures mais sensiblement plus coûteux que le vaporeformage. L’hydrogène produit par électrolyse n’est un vecteur décarboné que si la production d’électricité l’est également. Les coûts de l’hydrogène électrolytique sont déterminés par le prix de l’électricité qui représente 75 % du coût total, loin devant l’amortissement des installations si elles sont utilisées au moins 3 000 à 4 000 h/an. Or l’hydrogène électrolytique produit avec de l’électricité renouvelable va rester durablement plus cher (5 à 8 €/kg) que l’hydrogène de reformage (de 3 à 4,50 €/kg y compris la capture et le stockage du CO₂) tant que les prix de marché du gaz naturel resteront faibles.

L’exploitation des propriétés énergétiques de l’hydrogène produit par électrolyse ne peut se justifier que si le prix attribué à la tonne de CO₂ évitée est sensiblement supérieur à 100 €/t. Par ailleurs, si pour décarboner une part significative de la consommation finale française d’énergie, l’hydrogène devait être produit exclusivement par électrolyse, cela mobiliserait plus de 275 TWh d’électricité. Cette augmentation de plus de 50 % de la production annuelle d’électricité requerrait de doubler la puissance installée actuelle si réalisée uniquement par les énergies renouvelables intermittentes (variables et non pilotables). Il paraît plus réaliste de prévoir que la production d’hydrogène sera essentiellement