L’hydrogène sera-t-il le carburant de demain ?

L’U­nion européenne s’est fixé des objec­tifs ambitieux de réduc­tion des émis­sions de gaz à effet de serre (GES), visant une réduc­tion de – 40 % des émis­sions d’i­ci 2030, et la neu­tral­ité car­bone d’i­ci 2050. L’hy­drogène est un pili­er majeur de cette stratégie, et sa part dans le mix énergé­tique européen devrait pass­er de moins de 2 % (y com­pris lorsqu’il est util­isé comme matière pre­mière) en 2018 à env­i­ron 14 % en 2050¹. Par con­séquent, et dès 2030, la demande européenne d’hy­drogène devrait aug­menter con­sid­érable­ment (+ 340 TWh entre 2015 et 2030), l’in­dus­trie (+ 164 TWh) et la mobil­ité (+ 70 TWh) étant les prin­ci­paux con­tribu­teurs à cette crois­sance. La com­péti­tiv­ité économique et l’empreinte car­bone de l’ap­pro­vi­sion­nement en hydrogène sont des enjeux clés pour la fil­ière hydrogène. 

L’é­conomie de l’hydrogène

L’électrolyse de l’hydrogène est à ce jour le seul moyen crédi­ble pour pro­duire de l’hy­drogène durable et décar­boné ; et même si cette méth­ode est actuelle­ment plus coû­teuse, elle pour­ra sûre­ment se ménag­er une place sur le marché de l’hydrogène. Pour cela, il lui fau­dra trou­ver des zones de com­péti­tiv­ité-coût, notam­ment grâce à des mod­èles « semi-cen­tral­isés », comme des hubs de mobil­ité de moyenne à grande échelle, capa­bles de pro­duire 10 à 50 MW. 

Les coûts de l’hy­drogène vert devraient ain­si devenir attrayants d’i­ci à 2030, en atteignant le seuil de 2 à 3 dol­lars par kilo­gramme s’ils sont asso­ciés aux éner­gies renou­ve­lables ayant le meilleur ren­de­ment et la meilleure capac­ité, comme l’én­ergie solaire pho­to­voltaïque du bassin méditer­ranéen ou l’én­ergie éoli­enne off­shore des côtes de la mer du Nord.

Pour les appli­ca­tions indus­trielles, les coûts de l’hy­drogène dit « bleu » devraient cor­re­spon­dre à ceux des procédés « gris », qui sont actuelle­ment les plus bas². Comme ces méth­odes de pro­duc­tion sont tou­jours émet­tri­ces de car­bone, elles doivent être com­binées à un cap­tage élevé du CO₂ – jusqu’à 90 % lorsque le cap­tage et le stock­age du car­bone auront atteint leur matu­rité tech­nique. Partout où sa mise en œuvre est pos­si­ble – comme en mer du Nord, où Total­En­er­gies, Shell et Equinor déploient d’im­por­tants investisse­ments –, l’hy­drogène bleu pour­ra défi­er les coûts et les émis­sions de l’hy­drogène vert (sans CO₂). Dans d’autres régions, les grands pro­jets d’hy­drogène vert, comme Masshylia (50MW) ou Port-Jérôme (200MW), sem­blent être les meilleures options.

La pro­duc­tion dis­tribuée d’hy­drogène, tech­nique­ment per­ti­nente pour les appli­ca­tions de mobil­ité légère, est néan­moins struc­turelle­ment entravée par une échelle lim­itée et des coûts d’al­i­men­ta­tion du réseau élevés. Elle néces­site par con­séquent des sub­ven­tions publiques.

Véhicules à hydrogène

L’U­nion européenne a établi une feuille de route pour l’hy­drogène prévoy­ant le déploiement de 45 000 camions et bus à pile à com­bustible (FCEB) sur les routes européennes d’i­ci à 2030, faisant ain­si de l’hy­drogène un pili­er de la décar­bon­a­tion des trans­ports publics. Le trans­port routi­er lourd (camions longue dis­tance ou auto­bus urbains) sem­ble de fait être l’un des can­di­dats les plus promet­teurs pour exploiter les hubs de mobil­ité à moyen terme. 

D’un point de vue tech­nique, les véhicules lourds à pile à com­bustible (PC) con­stituent une solu­tion intéres­sante, car ils utilisent un ensem­ble de tech­nolo­gies matures (piles à com­bustible, réser­voirs de stock­age, etc.), qui ont été large­ment validées dans le cadre de pro­grammes d’es­sais tels que Jive 1 / Jive 2 pour les auto­bus en Europe. À l’inverse, la plu­part des alter­na­tives aux moteurs à com­bus­tion interne (MCI) – telles que les bat­ter­ies –, sont encore con­fron­tées à des défis tech­niques, notam­ment leur autonomie lim­itée, leurs longs temps de charge et leur charge utile lim­itée par le poids, par exemple.

Sur le plan économique, le coût d’achat d’un véhicule élec­trique à com­bus­tion interne devrait égale­ment dimin­uer au cours de la prochaine décen­nie, jusqu’à attein­dre 120 000 € pour un camion et 325 000 € pour un bus d’i­ci à 2030, con­tre respec­tive­ment 300 000 € et 650 000 € aujour­d’hui. Si l’on ajoute à cela le prix com­péti­tif de l’hy­drogène, le coût total de pos­ses­sion des véhicules élec­triques à pile à com­bustible sera équiv­a­lent à celui des véhicules traditionnels.

Même avec de l’hy­drogène gris ou bleu – qui émet tou­jours du CO₂ –, les véhicules FCEV per­me­t­tent glob­ale­ment de réduire les émis­sions car­bone par rap­port aux mod­èles actuels d’en­v­i­ron 10 à 15 % avec de l’hy­drogène gris, et jusqu’à 80 % avec de l’hy­drogène bleu. Et ce en restant au même niveau que les meilleurs camions EURO 6 en ter­mes d’émis­sion de NOx.

Cepen­dant, rien de toute cela n’est gra­tu­it. Out­re la mise au point d’élec­trol­y­seurs (ou de sys­tèmes de cap­tage et de stock­age du car­bone, le cas échéant), le déploiement de la mobil­ité par l’hy­drogène lourd néces­site une acti­va­tion rapi­de – mais réal­iste – de la chaîne de valeur. Il s’ag­it notam­ment de nor­malis­er l’in­fra­struc­ture de dis­tri­b­u­tion, qui représente aujour­d’hui une part impor­tante des coûts de livrai­son de l’hy­drogène. Cela con­stitue un défi majeur pour gag­n­er rapi­de­ment en enver­gure et déploy­er à grande échelle des sta­tions de rav­i­taille­ment dans des lieux stratégiques, tels que les plate­formes logis­tiques le long des grands axes de fret paneu­ropéens (« RTE‑T »).

Les coûts de déploiement devraient égale­ment être con­sid­érables. Par exem­ple, pour rem­plac­er 10 % du trans­port de marchan­dis­es de longue dis­tance dans six pays clés de l’UE (France, Alle­magne, Ital­ie, Benelux), soit env­i­ron 20 000 camions, il faudrait inve­stir entre 2 et 3 mil­liards d’eu­ros dans des infra­struc­tures de rav­i­taille­ment. Ces fonds per­me­t­traient de créer 600 sta­tions de rav­i­taille­ment, et autant pour la liqué­fac­tion de l’hy­drogène et les équipements de trans­port dans le cas de la pro­duc­tion d’hy­drogène à dis­tance. Toute­fois, ces investisse­ments sont d’une ampleur raisonnable par rap­port à l’an­nonce faite par les pou­voirs publics en faveur de l’hy­drogène, et des ini­tia­tives auda­cieuses sont égale­ment atten­dues de la part des acteurs privés (pro­duc­teurs indus­triels de gaz, exploitants d’au­toroutes, con­struc­teurs de camions, logis­ti­ciens, acteurs de l’in­dus­trie pétrolière et gaz­ière, ser­vices publics d’élec­tric­ité et de gaz).

L’hy­drogène dans l’espace

La mobil­ité ter­restre ne sera cepen­dant pas la seule appli­ca­tion de l’hy­drogène à con­naître des trans­for­ma­tions majeures au cours de la prochaine décen­nie. En effet, l’ex­plo­ration de la Lune et de Mars con­nais­sant un regain d’in­térêt au niveau mon­di­al, la NASA a attribué à SpaceX un con­trat de 2,9 mil­liards de dol­lars pour la con­struc­tion d’un atter­ris­seur lunaire d’i­ci 2024, et Elon Musk a récem­ment réitéré son ambi­tion de faire atter­rir un vais­seau spa­tial habité sur Mars avant 2030. 

L’énorme dif­férence entre l’én­ergie req­uise pour un lance­ment depuis la Terre et depuis la Lune pousse les acteurs indus­triels à envis­ager des points de rav­i­taille­ment (par exem­ple EML‑1, NRHO) dans l’e­space cis-lunaire, avec une source d’én­ergie exploitée et traitée directe­ment sur la Lune. La pos­si­bil­ité de pro­duire économique­ment des ergols (LH₂, LOX) sur notre satel­lite pour­rait favoris­er les pro­grammes d’ex­plo­ration de l’e­space lointain.

Par con­séquent, de nou­velles fron­tières s’ou­vrent pour l’élec­trol­yse de l’hy­drogène. Pour pro­duire des prop­er­gols spa­ti­aux sur la Lune, toute la chaîne de valeur doit être repro­duite in situ : extrac­tion du régolithe, sépa­ra­tion et traite­ment de l’eau, logis­tique et trans­port, opéra­tions robo­t­iques, sys­tèmes de com­mu­ni­ca­tion et cen­trales élec­triques. Les tech­nolo­gies néces­saires ont été dévelop­pées, ou sont en cours de développe­ment. Plusieurs acteurs s’intéressent actuelle­ment à cette chaîne de valeur nais­sante de manière assez dis­per­sée, quand une approche inté­grée serait pour­tant néces­saire, car les ini­tia­tives isolées ont peu de chances de fournir des résul­tats tangibles.À par­tir de 2030, si les objec­tifs actuels sont atteints, un marché des prop­er­gols d’en­v­i­ron 240 tonnes par an pour­rait émerg­er à la future sta­tion Gate­way (NHRO). Il serait même économique­ment viable si le prix des lance­ments spa­ti­aux depuis la Terre ne s’ef­fon­dre pas de manière sig­ni­fica­tive, et si les niveaux de CAPEX actuelle­ment envis­agés sont main­tenus sous con­trôle. En changeant d’échelle grâce au développe­ment d’activités com­plé­men­taires telles que les rovers et l’assistance aux astro­nautes, la fil­ière pour­ra davan­tage absorber les dépens­es ponctuelles de R&D.