Rôle de l’hydrogène dans une économie décarbonée

L’objectif de la transition énergétique est de « décarboner » l’énergie afin de limiter le réchauffement climatique. Dans cette perspective, la filière de l’hydrogène connaît un regain d’intérêt certain : elle est une priorité du Plan de relance de l’économie du gouvernement français, et de celui de la Commission européenne. Les huit chapitres du rapport de l’Académie des technologies et ses annexes techniques établissent un état de l’art, et envisagent son avenir.

Le rapport répond d’abord à la question : pourquoi s’intéresser à l’hydrogène ? Existant peu à l’état naturel, c’est un gaz industriel important dont la production mondiale, à 95 % à partir de matières premières fossiles, s’élève à 70 millions de tonnes par an (un million de tonnes par an consommées en France), utilisé notamment dans la synthèse de l’ammoniac et le raffinage du pétrole. Son pouvoir calorifique massique 2,5 fois plus élevé que celui du méthane en fait un vecteur énergétique potentiel, pour produire de l’électricité avec des piles à combustible (par recombinaison de l’hydrogène avec de l’oxygène, l’inverse de l’électrolyse de l’eau) alimentant des moteurs électriques, ou mélangé à du méthane dans des gazoducs pour produire de la chaleur, et éventuellement dans la sidérurgie en remplacement du coke. Cette utilisation impose de s’affranchir des hydrocarbures pour sa production qui émet du CO₂, en réalisant l’électrolyse de l’eau avec de l’électricité produite par des filières renouvelables ou nucléaire. C’est le concept d’hydrogène « vert ».

Le rapport évalue la chaîne technologique de l’hydrogène : la production — assurée pour une moitié par vaporéformage du gaz naturel (une réaction avec la vapeur d’eau), et 5 % par électrolyse de l’eau alcaline —, le transport et le stockage. Les filières électrolytiques (rendement de 60 % à 70 %) doivent être développées, la production à partir du gaz naturel, voire du charbon, restant possible en captant et stockant le CO₂ émis. L’hydrogène produit en phase gazeuse doit être comprimé et stocké dans des réservoirs à très haute pression (700 bars), ceci consommant environ 5 % de son pouvoir énergétique. Un stockage cryogénique en phase liquide (à - 253 °C), donc sous faible volume, est peu rentable car il utilise près de 25 % de l’énergie (il est envisageable pour le transport par navire). Celui sous forme d’hydrure métallique est possible mais peu économique. Le transport de l’hydrogène par la voie routière dans des réservoirs sous haute pression est le plus économique, celle des gazoducs l’est déjà.

Son utilisation à grande échelle pose d’importants problèmes de sécurité car, ayant une grande plage d’inflammabilité (son énergie d’inflammation est 25 fois inférieure à celle de l’essence), avec une concentration de 4 % à 75 % il peut être enflammé dans l’air par une étincelle. L’hydrogène étant un gaz très léger, il se diffuse très facilement ; les risques d’accident sont faibles en milieu ouvert, mais peuvent être importants dans un environnement confiné comme un parking souterrain. Le rapport passe toutefois sous silence le fait que sa diffusion dans un milieu métallique (un réservoir par exemple) le fragilise, d’où la nécessité d’utiliser des matériaux composites dans certains réservoirs. Une réglementation pour son usage grand public s’impose donc.

Le rapport consacre un chapitre à l’économie, souvent floue, de l’hydrogène, en procédant à un calcul serré de tous les coûts avec différentes hypothèses pour le prix de l’électricité « décarbonée », et l’amortissement des électrolyseurs. Le coût de production du kilogramme d’hydrogène par vaporéformage s’établit, en France, à 1,5-2 euros, et à 2,5-4,5 euros avec capture et stockage du CO₂, l’électrolyse de l’eau alcaline produirait de l’hydrogène à 2,2-2,75 euros par kilogramme avec de l’électricité au prix du marché, mais à 8 euros par kilogramme avec celle au tarif de base du consommateur. À ces coûts, il faut ajouter ceux de l’amortissement des électrolyseurs (0,5-1 euro par kilogramme), de la compression du gaz, de son transport (0,5 à 2 euros par kilogramme par route). Enfin, l’investissement pour une station de distribution de l’hydrogène est élevé (au minimum un million d’euros).

Le stockage de l’électricité renouvelable et intermittente sous forme d’hydrogène injecté, soit dans des gazoducs, soit dans des piles à combustible, n’est probablement pas rentable, le coût de la tonne de CO₂ évitée étant trop élevé, sa rentabilité supposerait une taxe carbone supérieure à 300 euros par tonne. En revanche, le coût d’utilisation d’un véhicule particulier ou utilitaire léger à pile à hydrogène (sans tenir compte du coût de l’infrastructure de recharge) ne serait que légèrement supérieur à celui d’un véhicule à essence.

Envisageant les utilisations de la filière hydrogène en France à l’horizon 2050 (une évaluation fondée sur une étude de McKinsey), pour la mobilité électrique (un quart du parc avec des véhicules légers à hydrogène), le stockage des énergies renouvelables sur des sites isolés et la chimie, le rapport estime son potentiel de production à plusieurs millions de tonnes par an. Selon les objectifs du plan gouvernemental de 2018, elle représenterait un chiffre d’affaires de 8,5 milliards d’euros, avec 40 000 emplois en 2028 (3 000 aujourd’hui) et 150 000 en 2050. Elle consommerait environ 300 térawattheures par an d’électricité, une augmentation de près des deux tiers de la consommation électrique actuelle. Il souligne que dans cette perspective, « la décarbonation du système énergétique fondée essentiellement sur les énergies renouvelables intermittentes et l’hydrogène ne semble faisable ni économiquement, ni même physiquement ». Il serait réaliste de laisser ouverte l’option de l’électricité nucléaire.

La R&D est l’une des clefs du succès d’un plan hydrogène. Les efforts porteront sur la production, avec une priorité aux électrolyseurs et au procédé par plasma (le méthane porté à très haute température se décompose en hydrogène et en noir de carbone utilisable), mais aussi sur des voies plus futuristes telles que la production bactérienne et par photosynthèse, ainsi que la géologie (des sources naturelles d’hydrogène). L’amélioration des piles à combustible (voire l’utilisation d’un système « réversible » électrolyseur-pile) et du stockage sont aussi à l’ordre du jour.

Le rapport conclut que la plupart des pays du G20 ont parié sur l’hydrogène, mais que « le développement de la filière hydrogène relève du temps long […] des perspectives séduisantes sont ouvertes ; mais leur point d’arrivée n’est pas acquis […] On ne saurait — ajoute-t-il — construire une politique énergétique sur des espoirs mais des résultats. » Il fait plusieurs recommandations : privilégier et promouvoir la filière en considérant le coût de la tonne de carbone évitée pour la transition énergétique ; se doter d’une politique industrielle ; promouvoir une industrie française et européenne avec un soutien aux entreprises ; préparer l’avenir par un effort accru de R&D.

Ce rapport, bien documenté, vient à point nommé. Il donne une vision équilibrée de l’avenir de la filière hydrogène dont la rentabilité reste incertaine. Sa mise en œuvre dans la mobilité électrique pour des flottes de véhicules utilitaires, voire des trains, semble un pari plus tenable (il évite les spéculations oiseuses sur l’avion à hydrogène). On fera toutefois deux remarques. La première est qu’il aurait été utile de comparer les rendements énergétiques globaux des filières pour la motorisation électrique avec des piles à combustible ou des batteries. Le rendement des premières est de l’ordre de 40 % (on ne récupère en sortie de pile que 40 % de l’électricité entrant dans l’électrolyseur) alors que celui des batteries est de 90 % (on stocke directement l’électricité). La seconde est que la question du métal utilisé comme catalyseur dans les piles, le platine, un métal rare auquel on n’a pas trouvé d’alternative, est éludée. Elle n’est abordée que dans une annexe avec l’exemple de la voiture japonaise Toyota Mirai qui utilise 27 grammes de platine, le rapport concluant que l’approvisionnement en platine d’une flotte de véhicules à hydrogène ne posera aucun problème. Une simple multiplication montre que ce ne sera pas le cas. En effet, la mise sur le marché d’un million de voitures par an mobiliserait 27 tonnes de platine alors que la production mondiale n’est que de 180 tonnes (l’Académie donne le chiffre inexact de 13 tonnes de métal neuf), un recyclage s’imposera… En dépit de ces remarques, on ne peut que recommander la lecture de ce rapport à tous ceux qu’intéressent la transition énergétique et à la relance industrielle.