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L'hydrogène vert doit encore faire ses preuves

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

Olivier Perrin, associé dans le secteur de l’énergie, des ressources et de l’industrie chez Deloitte et Alexandre Kuzmanovic, directeur chez Monitor Deloitte dans le domaine de l'énergie, des ressources et de l'industrie, et plus particulièrement dans le secteur aérospatial
Le 8 juillet 2021 |
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L’hydrogène sera-t-il le carburant de demain ?
Olivier Perrin
Olivier Perrin
associé dans le secteur de l’énergie, des ressources et de l’industrie chez Deloitte
Alexandre Kuzmanovic
Alexandre Kuzmanovic
directeur chez Monitor Deloitte dans le domaine de l'énergie, des ressources et de l'industrie, et plus particulièrement dans le secteur aérospatial
En bref
  • Les transports, étant responsables pour une partie considérable des émissions de GES, sont de fait une des cibles principales de l’industrie de l’hydrogène.
  • Des véhicules fonctionnant grâce aux piles à combustibles pourraient réduire les émissions de GES de 80% si l’hydrogène utilisé est bleu et de 15% s’il est gris, par rapport aux véhicules actuels.
  • Leur déploiement dans les pays de l’UE est prévu dans les dix années à venir, mais ce projet reste très coûteux.
  • L’hydrogène en tant que carburant ne sera pas seulement employé pour la mobilité terrestre mais pourrait aussi trouver sa place dans l’exploration spatiale.

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.

1https://​ec​.europa​.eu/​e​n​e​r​g​y​/​s​i​t​e​s​/​e​n​e​r​/​f​i​l​e​s​/​h​y​d​r​o​g​e​n​_​s​t​r​a​t​e​g​y.pdf
2https://​www​.glob​al​cc​sin​sti​tute​.com/​w​p​-​c​o​n​t​e​n​t​/​u​p​l​o​a​d​s​/​2​0​2​1​/​0​4​/​C​i​r​c​u​l​a​r​-​C​a​r​b​o​n​-​E​c​o​n​o​m​y​-​s​e​r​i​e​s​-​B​l​u​e​-​H​y​d​r​o​g​e​n.pdf

Auteurs

Olivier Perrin

Olivier Perrin

associé dans le secteur de l’énergie, des ressources et de l’industrie chez Deloitte

Olivier Perrin co-développe un des 4 centres d’excellence « Future of Mobility » pour Deloitte et travaille plus particulièrement sur les sujets de stratégie et de transformation liés notamment à la transition énergétique. Il a plus de 20 ans d'expérience en conseil et est intervenu auprès de nombreux grands groupes dans plus de 30 pays.

Alexandre Kuzmanovic

Alexandre Kuzmanovic

directeur chez Monitor Deloitte dans le domaine de l'énergie, des ressources et de l'industrie, et plus particulièrement dans le secteur aérospatial

Alexandre Kuzmanovic conseil en stratégie et en transformation d'entreprise, dans diverses industries lourdes (mines, métaux, matériaux de construction, services publics, production d'énergie, ...). Avant le conseil, il a travaillé chez Saint Gobain dans des fonctions d'ingénierie et de gestion de la production.