Engouement pour l’hydrogène: héros technologique ou paroles en l’air ?

Sauveur héroïque ou distraction surmédiatisée ? La contribution de l’énergie hydrogène doit encore se concrétiser.

Les avis sur l’hydrogène semblent fluctuer comme la météo. Un jour, on le tourne en dérision en disant qu’il contribue à l’augmentation des émissions de carbone, quoique cela soit dû à des procédés de production encore largement tributaires des combustibles fossiles. Et le lendemain, il est salué comme constituant un catalyseur essentiel dans le cadre de l’objectif de zéro émission, contribuant à la décarbonisation de nombreuses industries dont nous dépendons au quotidien.

Où se trouve la vérité ? Et même si les arguments environnementaux peuvent être avancés, l’hydrogène peut-il s’étendre de manière réaliste au-delà des secteurs des produits chimiques et du raffinage où il est encore largement confiné pour devenir un composant important du bouquet énergétique mondial ?

La distinction subtile repose peut-être sur les méthodes que nous utilisons pour générer nos approvisionnements mondiaux en hydrogène.

Commençons par la plus nocive.

• Le reformage du méthane à la vapeur : implique la réaction du méthane (gaz naturel) avec de la vapeur pour produire de l’hydrogène et du monoxyde de carbone Actuellement la méthode de production la plus largement utilisée, le reformage du méthane à la vapeur émet environ 8 à 10 kg de CO₂ par kg d’hydrogène fabriqué.^[1]
• La gazéification du charbon : produit également de l’hydrogène et du CO₂, mais en faisant réagir de la vapeur avec du charbon plutôt qu’avec du gaz. Particulièrement énergivore, la gazéification du charbon pèse encore plus lourd sur l’environnement, avec quelque 14 à 15 kg de CO₂ par kg d’hydrogène.

L’hydrogène produit à l’aide de ces méthodes est communément appelé « hydrogène gris ».

Pourtant, une solution optimale permettant d’obtenir un hydrogène véritablement propre existe tout autour de nous : l’eau.

• L’électrolyse : un procédé utilisant l’électricité pour séparer l’hydrogène et l’oxygène présents dans l’eau, entraîne des émissions de seulement 1 à 2 kg de CO₂ par kg d’hydrogène produit. Une autre technologie très proche de l’électrolyse,
• La photolyse : utilisant uniquement l’énergie solaire pour séparer les éléments de l’eau, elle est totalement sans carbone.

L’hydrogène obtenu par électrolyse et photolyse est connu sous le nom d’« hydrogène vert » et c’est cet hydrogène vert que les analystes et les défenseurs de l’environnement voient comme un pilier du futur bouquet énergétique écologique.

Si la technologie permettant de produire de l’hydrogène propre existe déjà, pourquoi traînons-nous collectivement les pieds et persistons-nous à utiliser de l’hydrogène gris ? C’est la faute des coûts.

Actuellement, l’hydrogène vert coûte 4 à 6 USD par kg d’hydrogène produit, soit deux ou trois fois plus que l’hydrogène produit par le reformage du méthane à la vapeur ou le charbon.[2] Alors que le monde est confronté à la fois à une pénurie d’énergie et à un repli économique, l’hydrogène se bat pour se faire une place en tant qu’alternative commercialement viable et évolutive.

Exploiter la puissance de l’hydrogène

La demande croissante d’hydrogène, associée à des méthodes de production plus propres, pourrait permettre à l’hydrogène de jouer un rôle de premier plan dans une économie décarbonée. Cela vaut en particulier pour les secteurs où les mesures d’atténuation sont habituellement difficiles à mettre en œuvre, tels que le transport et l’industrie lourde.

Dans le scénario zéro émission nette 2021-2050 de l’AIE, l’hydrogène représente 6 % de toutes les mesures d’atténuation prévues, aux côtés d’autres stratégies puissantes telles que les énergies renouvelables, l’électrification et la capture du carbone[3].

La demande en hydrogène est actuellement limitée par des facteurs comme des réglementations internationales incohérentes et des infrastructures inadéquates. Mais si ces obstacles sont surmontés, l’appétit mondial pour l’hydrogène devrait monter en flèche. Le marché de l’énergie hydrogène propre devrait atteindre 642 milliards USD d’ici 2030, 980 milliards USD d’ici 2040 et 1 048 milliards USD d’ici 2050.[4]

L’industrie lourde et le transport longue distance, qui représentent actuellement 0,1 % de l’utilisation d’hydrogène dans le monde, pourraient représenter une part disproportionnée de cette explosion de la demande. En effet, d’ici 2050, ces secteurs résistants à la décarbonisation devraient peser jusqu’à un tiers du marché mondial de l’hydrogène.[5]

Les avantages sont triples :

1. Un air plus propre, dans un monde où environ quatre à dix millions de décès par an sont attribués à la pollution ambiante par les particules.[6]
2. Une plus grande sécurité énergétique, car l’hydrogène peut être produit n’importe où, réduisant ainsi la dépendance aux combustibles fossiles attachés à une zone géographique.
3. Une plus grande flexibilité énergétique, l’hydrogène s’avérant être un moyen de stockage à long terme idéal pour les approvisionnements fluctuants en énergie renouvelable.

À l’échelle mondiale, le cadre législatif semble plaider en faveur d’un avenir plus propice à l’utilisation de l’hydrogène. Pays par pays, nous voyons émerger une série de politiques, que d’autres nations pourraient appliquer comme modèles pour un déploiement plus large.

Jeu de pouvoir privé/public

Ouvrant la voie, la Chine a construit 750 MW de nouvelles capacités d’électrolyse l’année dernière, ce qui représente une forte augmentation par rapport aux 220 MW cumulés en ligne en 2022. Et la Chine est loin d’être seule dans ses efforts :

• L’Inde a lancé National Green Hydrogen Mission en 2023, avec pour objectif de devenir le premier producteur mondial d’électrolyseurs et à générer 5 millions de tonnes d’hydrogène renouvelable d’ici 2030.
• Au Royaume-Uni, les premiers contrats pour des projets d’électrolyse de l’hydrogène ont été attribués en 2023, à la suite de la publication l’année précédente de la réglementation officielle relative à la norme sur l’hydrogène à faible teneur en carbone.
• Aux États-Unis, la loi sur la réduction de l’inflation a formalisé des incitations financières pour les producteurs d’hydrogène propre dans le cadre de son budget d’énergie verte de 369 milliards USD.
• Dans le même temps, l’UE a organisé des enchères inaugurales en 2023 pour les projets de sa Banque européenne d’hydrogène. L’Espagne, la France et l’Allemagne ont des objectifs ambitieux de 4 à 6,5 GW de production nationale d’hydrogène d’ici 2030.[7]

Le secteur privé fait également preuve d’un élan international en faveur de l’hydrogène.[8]

Proton Motor Power Systems, un fabricant de piles à combustible à hydrogène et de systèmes électriques hybrides basé au Royaume-Uni, a récemment présenté une unité d’alimentation de pointe d’une puissance de 90 kilowatts destinée à des applications routières, ferroviaires et maritimes. Par ailleurs, la société sud-coréenne de gaz naturel SK E&S a signé un accord avec Korea South-East Power pour produire de l’électricité à l’aide d’hydrogène vert et d’ammoniac. Enfin, la société japonaise Toshiba Energy Systems & Solutions Corp. a annoncé un partenariat avec Echandia, pionnier suédois de la marine de gros tonnage, en vue de produire des systèmes de piles à combustible à hydrogène pur destinés à être utilisés en mer.

Ces percées s’appuient sur d’autres initiatives récentes qui ont fait la une. Dans le cadre d’un accord transatlantique important, le constructeur automobile français Groupe Renault a conclu un accord de co-entreprise avec le fabricant états-unien Plug Power Inc. afin de promouvoir les solutions de véhicules à hydrogène sur tous les marchés des transports en Europe.

Ces pionniers, et d’autres comme eux, tentent d’étendre les projets d’hydrogène vert à des niveaux conséquents. Cependant, y a-t-il des limites à la durabilité de l’hydrogène et peut-il réellement contribuer de manière significative à un avenir plus vert ?

L’hydrogène est entravé par son coût et le CCUS qui n’a pas encore fait ses preuves

Contrairement à l’énergie éolienne et solaire, l’hydrogène n’a pas encore « pris de l’ampleur » et il y a plusieurs raisons à cela.[9]

Nous avons déjà évoqué les dépenses supplémentaires liées à la production d’hydrogène vert par rapport à d’autres formes d’hydrogène. Mais qu’en est-il d’une installation de production d’hydrogène intégrant la technologie de capture, stockage et utilisation du carbone (CCUS ), appelée « hydrogène bleu », dont les émissions sont piégées sous terre pour préserver l’environnement ?

Dans ce cas, les coûts par kilogramme varient de 1,8 USD à 4,7 USD, bien plus que les 0,98 USD à 2,93 USD de son équivalent gris.[10]

Non seulement le CCUS est coûteux, mais il n’a pas fait ses preuves à une échelle importante.

Les organisations environnementales, notamment l’AIE, l’Agence internationale de l’énergie renouvelable (International Renewable Energy Agency, IRENA) et le Groupe d’experts intergouvernemental sur l’évolution du climat (GIEC), ont toutes produit des prévisions énergétiques à long terme s’appuyant au moins en partie sur l’expansion rapide du CCUS pour atteindre l’objectif de limiter le réchauffement climatique à 1,5 °C. Cette foi pourrait-elle être mal placée ?

Le projet Quest de Shell en Alberta, au Canada, par exemple, est souvent salué comme un prototype du potentiel du CCUS. Cependant, moins de la moitié des émissions de l’usine seraient piégées, ce qui est très loin du potentiel de capture de 90 % évoqué par les ardents défenseurs du CCUS. Si l’on tient compte de l’ensemble des émissions de gaz à effet de serre, l’empreinte carbone de l’usine équivaudrait à celle d’environ 1,2 million de voitures à essence.[11]

Même une fois capturé, le CO₂ nécessite une compression sous forme liquide et un transport par voie routière, ferroviaire ou maritime pour être stocké dans des dépôts géologiques profonds – un processus dont le bilan carbone est tout aussi élevé.

Certains affirment que le carbone capturé pourrait être utilisé à des fins industrielles plutôt que d’être stocké sous terre. Cependant, les techniques de conversion chimique du CO₂ en produits utilisables tels que les plastiques et les matériaux de construction restent largement théoriques.

Le CCUS a incontestablement un rôle à jouer. C’est, par exemple, l’une des seules méthodes connues pour réduire considérablement les émissions dans l’industrie du ciment, qui représentent à elles seules près de 7 % de la production mondiale de CO₂.[12] Et malgré ses inconvénients, le CCUS parvient à se positionner sur la scène des enjeux climatiques, avec 61 nouvelles installations CCUS en projet en 2022, ce qui porte à plus de 150 le nombre total d’installations en cours de développement dans le monde.

Mais le CCUS a encore du chemin à parcourir avant que « l’hydrogène bleu » puisse être légitimement présenté comme une solution magique aux insuffisances économiques et environnementales de l’hydrogène.

Il suffit de regarder de plus près ce qui se joue en coulisses pour que d’autres aspects de l’adoption généralisée de l’hydrogène commencent à paraître incertains.

L’hydrogène nécessitera inévitablement d’énormes investissements pour s’imposer sur le marché. Selon certaines estimations, il faudra débourser plus de 7 000 milliards USD (principalement pour de nouveaux pipelines et terminaux d’ammoniac) si l’on veut que l’hydrogène réponde ne serait-ce qu’à 5 % de la demande mondiale d’énergie d’ici à 2050.[13]

Les coûts d’adaptation des utilisateurs finaux sont tout aussi élevés.

Pour les entreprises, la conversion des machines existantes de manière à utiliser l’hydrogène au lieu du méthane représente un coût élevé. Dans le cas de la production d’acier, l’utilisation d’hydrogène produit à partir d’énergies renouvelables pourrait augmenter les coûts de 35 % à 70 % par rapport aux techniques traditionnelles à forte intensité de carbone.[14]

Pour les usagers de la route, il n’est pas encore économiquement viable de modifier les automobiles pour qu’elles consomment de l’hydrogène plutôt que de l’essence. Cependant, les véhicules électriques à pile à combustible (VEPC) conçus à cet effet restent prometteurs, du moins pour l’instant.

Les véhicules à hydrogène sont-ils coincés dans un cul-de-sac ?

Le nombre de véhicules électriques à pile à combustible (VEPC) alimentés à l’hydrogène sillonnant les routes du monde entier est en hausse, en augmentation de 40 % en 2022 par rapport à l’année précédente, et a récemment franchi la barre des 70 000 unités.^[15] Cela se traduit par la vente de 20 500 nouveaux VEPC en 2022, les trois quarts environ étant des voitures, notamment celles produites par Toyota, le partenaire de longue date d’Abdul Latif Jameel, avec sa Mirai deuxième génération.

Les deux tiers de ces nouvelles ventes de VEPC ont été enregistrés en Corée du Sud, suivis par les États-Unis, la Chine, le Japon et l’Allemagne. Il existe aujourd’hui plus d’un millier de stations de ravitaillement en hydrogène dans le monde, principalement dans ces cinq pays. Ce chiffre devrait continuer à croître avec le soutien dynamique du secteur public. L’État de Californie, par exemple, finance la construction de 100 stations de ravitaillement en hydrogène supplémentaires dans le cadre de sa stratégie visant à atteindre 1,6 million de véhicules zéro émission d’ici 2025.

En termes financiers, le regain d’activité dans les salons d’exposition a fait grimper la taille du marché mondial des VEPC à environ 1 milliard USD en 2022. D’ici 2032, le secteur prévoit un TCAC de 52,9 %, atteignant une valeur de marché d’environ 69,61 milliards USD.[16]

Néanmoins, ces derniers chiffres de ventes sont éclipsés par ceux des voitures électriques ou hybrides (VE) sans hydrogène, qui ont augmenté de 50 % d’une année sur l’autre pour atteindre plus de 10 millions d’unités en 2022.

La vitesse de ravitaillement est souvent citée comme l’avantage majeur de l’hydrogène par rapport aux véhicules électriques, avec un temps de recharge de quelques minutes contre 30 à 60 minutes, voire plus, pour la recharge des batteries. Cependant, l’échange de batteries commence à émerger comme tendance sur le marché du transport de marchandises par VE, avec près de 2 000 « stations d’échange » désormais opérationnelles en Chine et 12 000 camions compatibles avec l’échange vendus en 2022.[17] Les répercussions de l’échange de batteries sur la viabilité de l’hydrogène, en le privant de l’un de ses principaux atouts, n’apparaîtront clairement que dans quelques années.

L’hydrogène est confronté à d’autres dilemmes fondamentaux d’ordre économique et physique.

L’électrolyse de l’hydrogène à partir de l’eau à l’aide d’énergies renouvelables consomme 30 % de l’énergie potentielle dans le processus de séparation.[18] Si l’on ajoute à cela une perte supplémentaire de 26 % de l’énergie restante pendant le transport vers les dépôts, près de la moitié de l’énergie produite par l’hydrogène est gaspillée avant même d’arriver sur le marché. En revanche, la perte d’électricité lors du transfert par câble vers les stations de recharge ne représente que 5 %. La production d’hydrogène sur place est rarement viable, car les usines d’électrolyse coûtent des millions de dollars par installation.

L’inefficacité inhérente de l’hydrogène était probablement à l’origine de la décision de la division des camions Scania de Volkswagen (auparavant l’un des principaux partisans des camions alimentés à l’hydrogène) de se concentrer principalement sur les variantes électriques à batterie depuis 2021.[19]

Tesla, pour sa part, tient également à montrer que le transport de marchandises n’est pas le domaine exclusif du diesel ou de l’hydrogène. Son camion électrique Tesla Semi, lancé fin 2023, a une autonomie de 800 kilomètres et une consommation d’énergie inférieure à 2 kWh par kilomètre.[20] Tesla est le type d’entreprise disposant des ressources financières nécessaires pour briser le rêve de l’hydrogène, en visant une production annuelle de 50 000 unités de Semi à partir de 2024, soutenue par un réseau de recharge de 100 millions USD sur l’ensemble du territoire des États-Unis.[21]

Espoir ou emballement ? L’hydrogène mérite d’être analysée en toute honnêteté

Même s’il est temps de modérer les exagérations au sujet de l’hydrogène, ce n’est certainement pas le moment d’abandonner complètement le concept. Nous devons plutôt comprendre que le succès ou l’échec de l’hydrogène peut dépendre de technologies tangentielles.

Pour cela, nous pourrions envisager des améliorations soudaines et révolutionnaires des performances CCUS, ou une augmentation significative de la capacité d’énergie renouvelable, réduisant considérablement le coût de l’électrolyse propre.

Peut-être que les électrolyseurs eux-mêmes présentent une autre lueur d’espoir. Les coûts des électrolyseurs ont chuté de 60 % depuis 2010 et, selon l’analyse de l’Agence internationale de l’énergie renouvelable, pourraient encore baisser de 40 % à court terme et de 80 % à plus long terme. L’augmentation de la capacité de production, une plus grande normalisation et les économies d’échelle qui en découlent pourraient finalement permettre aux coûts de l’hydrogène vert de passer sous la barre critique des 2 USD par kg.[22]

Le temps était, est, et reste un facteur essentiel : alors que 2023 est officiellement l’année la plus chaude jamais enregistrée[23], ce n’est pas le moment de renoncer à une technologie susceptible d’atténuer les effets du changement climatique.

Il est cependant temps de débattre en toute honnêteté du potentiel de l’hydrogène pour redessiner le paysage énergétique de demain, et de sa probabilité à surmonter enfin sa réputation en matière de promesses démesurées et de résultats insuffisants.

[1] https://www.hydrogennewsletter.com/gh2-facts/

[2] https://www.irena.org/-/media/Files/IRENA/Agency/Publication/2020/Nov/IRENA_Green_Hydrogen_breakthrough_2021.pdf

[3] https://www.iea.org/reports/net-zero-by-2050

[4] https://www2.deloitte.com/content/dam/Deloitte/global/Documents/gx-green-hydrogen-executive-summary.pdf

[5] https://www.iea.org/energy-system/low-emission-fuels/hydrogen#programmes

[6] https://www.bmj.com/content/383/bmj-2023-077784

[7] https://www.forbes.com/sites/ianpalmer/2023/05/30/hydrogen-is-ramping-up-in-the-energy-transition-but-it-may-be-oversold

[8] https://www.precedenceresearch.com/hydrogen-fuel-cell-vehicle-market

[9] https://www.forbes.com/sites/ianpalmer/2023/05/30/hydrogen-is-ramping-up-in-the-energy-transition-but-it-may-be-oversold

[10] https://about.bnef.com/blog/green-hydrogen-to-undercut-gray-sibling-by-end-of-decade/

[11] https://www.globalwitness.org/en/blog/problem-hydrogen/

[12] https://www.lse.ac.uk/granthaminstitute/explainers/what-is-carbon-capture-and-storage-and-what-role-can-it-play-in-tackling-climate-change/

[13] https://www.forbes.com/sites/ianpalmer/2023/05/30/hydrogen-is-ramping-up-in-the-energy-transition-but-it-may-be-oversold

[14] https://www.lse.ac.uk/granthaminstitute/explainers/what-is-carbon-capture-and-storage-and-what-role-can-it-play-in-tackling-climate-change/

[15] https://www.hydrogeninsight.com/transport/the-number-of-hydrogen-fuel-cell-vehicles-on-the-worlds-roads-grew-by-40-in-2022-says-iea-report/2-1-1444069

[16] https://www.precedenceresearch.com/hydrogen-fuel-cell-vehicle-market

[17] [17] https://www.hydrogeninsight.com/transport/the-number-of-hydrogen-fuel-cell-vehicles-on-the-worlds-roads-grew-by-40-in-2022-says-iea-report/2-1-1444069

[18] https://www.forbes.com/sites/jamesmorris/2021/02/06/why-are-we-still-talking-about-hydrogen

[19] https://www.rechargenews.com/energy-transition/after-plotting-battery-electric-future-truck-maker-scania-hedges-bets-with-new-hydrogen-vehicles/2-1-1200800

[20] https://www.forbes.com/sites/qai/2022/12/08/how-powerful-is-teslas-new-semi-truck

[21] https://insideevs.com/news/672016/tesla-semi-volume-production-wil-not-start-until-late-2024/

[22] https://www.irena.org/-/media/Files/IRENA/Agency/Publication/2020/Nov/IRENA_Green_Hydrogen_breakthrough_2021.pdf

[23] https://www.theguardian.com/us-news/2024/jan/03/2023-hottest-year-on-record-fossil-fuel-climate-crisis