Les 10 choses à savoir sur l’hy​dro​gène dans les transports

L’hy​dro​gène est à la fois l’a​tome le plus petit et le plus abon­dant de l’u​ni​vers. Il est notam­ment pré­sent dans l’eau (H₂O) et sou­vent asso­cié au car­bone dans les molé­cules orga­niques, et consti­tue ain­si 92 % des atomes de l’u​ni​vers et 63 % des atomes de notre corps (et res­pec­ti­ve­ment 75 % et 10 % en masse)¹.

Mais quand on parle d’hy​dro​gène dans la tran­si­tion éner­gé­tique, on parle davan­tage de la molé­cule de dihy­dro­gène (H₂)². À quelques excep­tions près de gise­ments d’hy​dro​gène natif peu connus et peu exploi­tés aujourd’​hui, l’hy​dro​gène ne consti­tue pas une source d’éner​gie qu’on trouve direc­te­ment dans la nature. Il faut donc le pro­duire à par­tir d’autres éner­gies : on parle alors de vec­teur éner­gé­tique (comme l’élec​tri​ci​té), et la ques­tion est notam­ment de savoir si cette pro­duc­tion est for­te­ment émet­trice de CO₂ ou non.

Il existe plu­sieurs méthodes de pro­duc­tion d’hy​dro​gène. À ce jour, l’hy​dro​gène est pro­duit prin­ci­pa­le­ment à par­tir d’éner​gies fos­siles, avec une pro­duc­tion for­te­ment émet­trice de CO₂. C’est le cas à 99,3 % dans le monde, essen­tiel­le­ment via le vapo­re­for­mage de méthane à par­tir de gaz fos­sile (62 % de la pro­duc­tion), puis à par­tir de la gazéi­fi­ca­tion du char­bon ou en co-pro­duits du raf­fi­nage du pétrole (res­pec­ti­ve­ment 19 et 18 %). La pro­duc­tion bas-car­bone est pos­sible via deux tech­niques prin­ci­pales, qui ne repré­sentent qu’une très faible frac­tion de la pro­duc­tion actuelle. Pour 0,7 %, il s’a​git de la pro­duc­tion à par­tir d’éner​gies fos­siles qui est asso­ciée à du cap­tage et sto­ckage du car­bone, et pour seule­ment 0,04 % en 2021 de la pro­duc­tion à par­tir de l’élec​tro​lyse de l’eau, une filière ame­née à for­te­ment aug­men­ter au vu des annonces récentes³.

En France, c’est 95 % de l’hy​dro​gène qui est éga­le­ment pro­duit à par­tir d’éner​gies fos­siles. Les 5 % res­tants viennent de l’élec​tro​lyse de la sau­mure, prin­ci­pa­le­ment réa­li­sée pour la pro­duc­tion de chlore⁵. Le choix du plan hydro­gène fran­çais de 2018 pour décar­bo­ner la pro­duc­tion porte sur l’élec​tro​lyse de l’eau, avec pour objec­tif de repré­sen­ter un peu plus de la moi­tié de la pro­duc­tion d’hy​dro​gène en 2030⁶.

L’hy​dro​gène peut être uti­li­sé pour deux types d’u​sages : soit comme réac­tif pour pro­duire autre chose, soit comme vec­teur énergétique.

Aujourd’​hui, l’hy​dro​gène est essen­tiel­le­ment uti­li­sé dans l’in​dus​trie comme réac­tif, aus­si bien dans le monde qu’en France. Dans le pays, l’hy​dro​gène sert en par­ti­cu­lier pour le raf­fi­nage des car­bu­rants (60 %), pour pro­duire de l’am​mo​niac essen­tiel­le­ment pour les engrais agri­coles (25 %), et la chi­mie (10 %)⁷.

Plu­sieurs défis et usages de l’hy​dro​gène sont envi­sa­gés à l’a​ve​nir pour la tran­si­tion éner­gé­tique, à réflé­chir en termes d’ordre de mérite⁸. Il s’a​git d’a​bord et avant tout de décar­bo­ner les usages actuels de l’hy​dro​gène dans l’in​dus​trie. Il peut s’a​gir aus­si de rem­pla­cer d’autres usages par de l’hy​dro​gène bas-car­bone, que ce soit pour la décar­bo­na­tion de l’in​dus​trie, les trans­ports, ou pour par­ti­ci­per à la décar­bo­na­tion des réseaux gaziers actuels. 

Enfin, l’hy​dro​gène pour­rait contri­buer au sto­ckage d’élec​tri​ci​té, en offrant une solu­tion de flexi­bi­li­té pour assu­rer l’é​qui​libre du réseau électrique⁹.

L’hy​dro​gène dans les trans­ports en est encore seule­ment à ses bal­bu­tie­ments. Mal­gré la hausse de 60 % des consom­ma­tions par rap­port à 2020, l’hy​dro​gène ne repré­sen­tait que 0,003 % des consom­ma­tions d’éner​gie des trans­ports dans le monde en 2021.

C’est sur les véhi­cules rou­tiers que l’hy​dro​gène est actuel­le­ment le plus déve­lop­pé, bien qu’à un niveau très faible. Fin 2021 en France, on ne comp­tait ain­si que quelques cen­taines de voi­tures à hydro­gène (et il s’en vend envi­ron 1 000 fois moins que de voi­tures élec­triques depuis début 2022¹⁰), 2 poids lourds, 4 véhi­cules auto­mo­teurs spé­cia­li­sés (VASP : par exemple les bennes à ordures), ou encore 22 bus (soit moins de 0,1 % du parc¹¹).

Cepen­dant, la mobi­li­té lourde consti­tue le deuxième axe du plan hydro­gène fran­çais de 2018 ain­si que de la stra­té­gie natio­nale pour le déve­lop­pe­ment de l’hy​dro​gène décar­bo­né de 2020¹². L’ob​jec​tif affi­ché en 2018 est d’at​teindre 20 000 à 50 000 véhi­cules uti­li­taires légers, et 800 à 2 000 véhi­cules lourds en 2028 dans le parc. Les bornes hautes cor­res­pondent à l’é​qui​valent de 0,9 % du parc actuel d’u​ti​li​taires et 0,3 % du parc de véhi­cules lourds¹³.

Pour des rai­sons de ren­de­ment éner­gé­tique et de bilan car­bone, l’élec​trique est à pri­vi­lé­gier quand cela est possible.

Pour le trans­port fer­ro­viaire, des trains à hydro­gène roulent déjà en Alle­magne et les pre­mières cir­cu­la­tions com­mer­ciales sont pré­vues en 2025 en France¹⁴. Pour les navires, des expé­ri­men­ta­tions sont en cours pour des navires de faible capa­ci­té de trans­port et sur des dis­tances limi­tées. Mais d’autres solu­tions de décar­bo­na­tion sont géné­ra­le­ment pri­vi­lé­giées à l’hy​dro​gène, notam­ment pour le mari­time (bio­gaz, métha­nol, ammo­niac…). Enfin, Air­bus vise 2035 pour la com­mer­cia­li­sa­tion d’un avion à hydro­gène capable de réa­li­ser des vols court- et moyen-courriers.

La sor­tie du pétrole des trans­ports est incon­tour­nable pour atteindre l’ob​jec​tif de neu­tra­li­té car­bone en France d’i​ci 2050¹⁵. Il existe 4 voies éner­gé­tiques pos­sibles dans les trans­ports : l’élec​tri​ci​té ; l’hy​dro​gène ; les car­bu­rants gazeux (gaz fos­sile ou renou­ve­lable) et les car­bu­rants liquides (pétrole ou bio­car­bu­rants). Des car­bu­rants syn­thé­tiques peuvent aus­si être pro­duits en com­bi­nant de l’hy​dro​gène avec du CO₂, une tech­no­lo­gie cepen­dant très peu mature à ce stade.

Par­mi ces dif­fé­rentes tech­no­lo­gies, le vec­teur élec­trique est le plus décar­bo­né, à plus de 90 % en France, quand les autres vec­teurs (hydro­gène, car­bu­rants gazeux et liquides) sont au contraire dépen­dants des éner­gies fos­siles à plus de 90 %. Par ailleurs, les poten­tiels de pro­duc­tion de gaz renou­ve­lable et de bio­car­bu­rants sont for­te­ment limi­tés par les res­sources en bio­masse dis­po­nibles, ce qui néces­site avant tout de réduire for­te­ment les consom­ma­tions de gaz et de car­bu­rants liquides dans l’é​co​no​mie pour les décarboner.

Sur les vec­teurs élec­triques et hydro­gène, le ren­de­ment éner­gé­tique de l’hy​dro​gène est moins bon que l’u​ti​li​sa​tion directe de l’élec​tri​ci​té dans un véhi­cule élec­trique à batteries¹⁷. Il est en effet pos­sible d’u​ti​li​ser l’hy​dro​gène dans un véhi­cule de 2 manières : soit comme com­bus­tible dans un moteur ther­mique à hydro­gène, bien moins effi­cace que les moteurs élec­triques ; soit en retrans­for­mant l’hy​dro​gène en élec­tri­ci­té via une pile à com­bus­tible située dans le véhi­cule, pour ensuite uti­li­ser cette élec­tri­ci­té dans un moteur élec­trique. Dans ce second cas, et au vu des pertes éner­gé­tiques de ces trans­for­ma­tions, il faut envi­ron 2,3 fois plus d’élec​tri​ci​té pour faire rou­ler un véhi­cule à hydro­gène que pour un véhi­cule électrique¹⁸,¹⁹.

Cette moindre effi­ca­ci­té démul­ti­plie les coûts en élec­tri­ci­té, ain­si que les émis­sions à l’u​sage des véhi­cules si l’élec​tri​ci​té uti­li­sée n’est pas très fai­ble­ment car­bo­née. Elle implique aus­si de plus grands volumes d’élec​tri​ci​té pour décar­bo­ner les trans­ports. Ain­si, décar­bo­ner l’en​semble des trans­ports ter­restres (voi­tures, poids lourds, bus et cars, trains…) en Europe via les véhi­cules élec­triques néces­si­te­rait l’é​qui​valent de 43 % de l’élec​tri​ci​té pro­duite en 2015, et 108 % dans le cas de véhi­cules à hydro­gène. Des chiffres qui aug­mentent encore en consi­dé­rant la navi­ga­tion et l’aé​rien²⁰.

Pour des rai­sons de ren­de­ment éner­gé­tique et de bilan car­bone, l’élec​trique est donc à pri­vi­lé­gier quand cela est pos­sible, comme pour les véhi­cules rou­tiers légers (deux-roues, voi­tures ou encore véhi­cules uti­li­taires). L’hy​dro​gène trou­ve­ra sa per­ti­nence en com­plé­ment de l’élec​trique, notam­ment lors​qu’il y a besoin de forts emports de charge, d’au​to​no​mies éle­vées et/ou de temps de recharge très courts. C’est d’ailleurs par ces avan­tages que l’hy​dro​gène laisse espé­rer ou peut don­ner l’illu​sion qu’il sera pos­sible de gar­der à l’a​ve​nir les com­por­te­ments et usages des trans­ports per­mis par le pétrole actuellement.

Lorsque l’hy​dro​gène est pro­duit par élec­tro­lyse avec de l’élec​tri​ci​té renou­ve­lable ou nucléaire, les émis­sions de gaz à effet de serre d’un auto­bus ven­du en 2020 ou d’un poids lourd ven­du en 2030 sont divi­sées par 6 par rap­port au die­sel, sur leur cycle de vie. Cela place alors la tech­no­lo­gie hydro­gène à des niveaux d’é​mis​sions simi­laires aux auto­bus ou poids lourds élec­triques rechar­gés en France, ain­si qu’aux véhi­cules uti­li­sant du bio­gaz. En revanche, si l’hy​dro​gène est pro­duit par élec­tro­lyse avec le mix élec­trique fran­çais moyen, le trac­teur rou­tier à hydro­gène passe de 6 fois moins à 3 fois moins émet­teur que le trac­teur die­sel ; il devient légè­re­ment plus émet­teur avec le mix moyen euro­péen et même 60 % plus émet­teur avec le mix élec­trique allemand²¹.

Ain­si, la décar­bo­na­tion de la pro­duc­tion de l’hy​dro​gène est une condi­tion indis­pen­sable pour s’as​su​rer de béné­fices cli­ma­tiques signi­fi­ca­tifs au déve­lop­pe­ment de l’hy​dro​gène dans les trans­ports. Cet impact des émis­sions du mix élec­trique est encore plus fort sur les émis­sions des véhi­cules à hydro­gène que les émis­sions des véhi­cules élec­triques, en rai­son du moins bon ren­de­ment de la chaîne hydro­gène et ain­si des quan­ti­tés d’élec​tri​ci​té plus impor­tantes par kilo­mètre parcouru.

D’un point de vue envi­ron­ne­men­tal, et en com­pa­rai­son du véhi­cule élec­trique à bat­te­ries, le prin­ci­pal avan­tage de l’hy​dro​gène concerne les moindres capa­ci­tés de bat­te­ries néces­saires. Cela réduit la pres­sion sur les res­sources et les pol­lu­tions engen­drées par l’ex​ploi​ta​tion du lithium, du cobalt ou encore du nickel. La filière hydro­gène implique aus­si des consom­ma­tions de métaux, en par­ti­cu­lier de pla­tine pour les piles à com­bus­tibles et les élec­tro­ly­seurs, dont la cri­ti­ci­té dépen­dra du niveau de déve­lop­pe­ment de la filière²³. Enfin, les plus forts besoins en élec­tri­ci­té pour les véhi­cules à hydro­gène (lors​qu’il est fabri­qué par élec­tro­lyse) néces­sitent davan­tage de métaux pour les moyens de pro­duc­tion électrique.

Les tech­no­lo­gies hydro­gène sont aujourd’​hui plus chères que celles au pétrole ou à l’élec​tri​ci​té, aus­si bien au niveau du coût des véhi­cules que de l’éner​gie. Cepen­dant, les sur­coûts à l’a​chat varient beau­coup selon les modes de trans­port et la matu­ri­té du mar­ché des véhi­cules. Et les sur­coûts éner­gé­tiques dépendent for­te­ment du mode de pro­duc­tion de l’hy​dro​gène, la pro­duc­tion via l’élec​tro​lyse étant aujourd’​hui envi­ron deux fois plus coû­teuse que le vapo­re­for­mage du gaz fos­sile. Les coûts de trans­port et de dis­tri­bu­tion sont aus­si signi­fi­ca­tifs, d’au​tant plus si les dis­tances entre les lieux de pro­duc­tion et de consom­ma­tion sont importantes.

Au total, le minis­tère esti­mait en 2018 que le coût total de pos­ses­sion est de l’ordre de 20 à 50 % plus éle­vé pour un véhi­cule hydro­gène que pour l’é​qui​valent ther­mique. Avec de l’hy​dro​gène issu de l’élec​tro​lyse, le coût total de pos­ses­sion des poids lourds, bus et cars est de 1,5 à 3 fois plus éle­vé pour l’hy​dro​gène que pour le diesel²⁴. Cepen­dant, les coûts sont pré­vus à la baisse, de l’ordre d’une divi­sion par deux d’i​ci 2030 pour la pro­duc­tion via l’élec​tro​lyse, ce qui chan­ge­ra éga­le­ment les équi­libres actuels²⁵.

Cepen­dant, les pro­jec­tions de coûts entre tech­no­lo­gies et éner­gies sont sou­mises à de fortes incer­ti­tudes. La com­pé­ti­ti­vi­té de l’hy​dro​gène pour­rait ain­si varier for­te­ment selon l’é​vo​lu​tion des pro­grès ou des contraintes tech­niques, géo­po­li­tiques, de res­sources ou de déploie­ment des dif­fé­rentes éner­gies. Elle dépen­dra enfin des éven­tuels sou­tiens ou des niveaux de taxa­tion des éner­gies ou tech­no­lo­gies par les pou­voirs publics.

Les défis tech­niques de la filière hydro­gène res­tent impor­tants pour per­mettre son déve­lop­pe­ment dans les trans­ports. Ce gaz étant par­ti­cu­liè­re­ment petit, léger et inflam­mable, les risques de fuites ou d’ac​ci​dents se doivent d’être maî­tri­sés pour assu­rer la sécu­ri­té sur les véhi­cules, le sto­ckage ou le trans­port de l’hy​dro​gène. Le sto­ckage dans les véhi­cules demande éga­le­ment de com­pri­mer l’hy​dro​gène, un pro­ces­sus éner­gi­vore, et de dis­po­ser de réser­voirs qui alour­dissent for­te­ment les véhicules.

Les tech­no­lo­gies hydro­gène sont aujourd’​hui plus chères que celles au pétrole ou à l’élec​tri​ci​té, aus­si bien au niveau du coût des véhi­cules que de l’éner​gie.

Aus­si, la faible den­si­té éner­gé­tique volu­mique (quan­ti­té d’éner​gie conte­nue dans un volume don­né) de l’hy​dro​gène demande autant que pos­sible de pen­ser la pro­duc­tion de l’hy​dro​gène au plus près des lieux de consom­ma­tion, afin de limi­ter les coûts éner­gé­tiques et finan­ciers de son trans­port. Cela amène la réflexion de l’or​ga​ni​sa​tion d’é​co​sys​tèmes per­met­tant de mutua­li­ser la pro­duc­tion et les usages entre plu­sieurs modes ou sec­teurs éco­no­miques sur un même lieu. Pour assu­rer la cohé­rence glo­bale de ces plans ter­ri­to­riaux, il fau­dra aus­si assu­rer un maillage pro­gres­sif du ter­ri­toire en infra­struc­tures de pro­duc­tion et de dis­tri­bu­tion d’hy​dro​gène pour les modes rou­tiers lourds.

Enfin, selon les modes de trans­port ou les véhi­cules, les défis tech­niques sont plus ou moins forts, ce qui condi­tionne aus­si les échéances de dif­fu­sion du vec­teur hydro­gène. Par exemple, pour l’aé​rien, la faible den­si­té volu­mique demande poten­tiel­le­ment de revoir la forme des avions ou du moins la forme, le poids et la taille des réser­voirs, un des défis tech­niques majeurs du déve­lop­pe­ment d’un avion à hydrogène.

Pour le trans­port rou­tier, l’hy​dro​gène n’au​ra pas de per­ti­nence sur les véhi­cules les plus légers, plus adap­tés pour l’élec​trique à bat­te­ries. Les vélos ou voi­tures à hydro­gène, inef­fi­caces éner­gé­ti­que­ment et bien plus coû­teux finan­ciè­re­ment, sont donc à oublier comme solu­tions de masse et en dehors de quelques usages de niche. En revanche, l’hy​dro​gène pour­rait se mon­trer plus utile pour les modes les plus lourds (poids lourds, bus et cars…) et lorsque les dis­tances sont trop longues pour l’élec​trique à batteries.

Côté fer­ro­viaire, les trains à hydro­gène pour­ront consti­tuer une alter­na­tive per­ti­nente au die­sel et lorsque les tra­fics sont trop faibles pour jus­ti­fier l’élec​tri​fi​ca​tion de la ligne²⁶. Pour les bateaux, l’hy​dro​gène sera trop dif­fi­cile d’u​sage pour décar­bo­ner le trans­port mari­time sur longue dis­tance, qui pour­rait cepen­dant se tour­ner vers des déri­vés de l’hy​dro​gène, à savoir l’am​mo​niac, le métha­nol ou les élec­tro­car­bu­rants. En revanche, l’hy​dro​gène pour­rait être adap­té pour le trans­port flu­vial, qui cor­res­pond à des volumes à trans­por­ter et des dis­tances plus faibles.

Enfin, pour l’aé​rien, le pari tech­no­lo­gique est lan­cé et jus­ti­fié par les limites des autres options alter­na­tives au pétrole, notam­ment la concur­rence d’u​sage de la bio­masse pour les bio­car­bu­rants, ain­si que la matu­ri­té extrê­me­ment faible à ce jour des car­bu­rants de syn­thèse, des déri­vés de l’hy​dro​gène. En revanche, ce pari est encore sou­mis à de fortes incer­ti­tudes. Aus­si d’i​ci 2050, l’hy​dro​gène ne pour­ra repré­sen­ter qu’une faible part des consom­ma­tions du sec­teur, jus​qu’à 7 % maxi­mum des vols au départ et à l’ar​ri​vée de la France, par­mi les 3 scé­na­rios de tran­si­tion éco­lo­gique du sec­teur aérien de l’A​DEME. Les élec­tro­car­bu­rants, des déri­vés de l’hy​dro​gène, repré­sentent un poten­tiel de décar­bo­na­tion plus impor­tant, jus​qu’à 38 % du mix éner­gé­tique en 2050. Ils ne deviennent cepen­dant signi­fi­ca­tifs qu’au cours de la décen­nie 2030, avec de forts défis de pas­sage à l’é​chelle et l’exi​gence d’être pro­duits avec de l’élec​tri​ci​té très peu car­bo­née pour être avan­ta­geux d’un point de vue climatique²⁷.

L’hy​dro​gène ne doit pas être vu comme une solu­tion miracle pour décar­bo­ner les trans­ports, car il ne l’est pas. Il est ain­si moins effi­cace éner­gé­ti­que­ment, lar­ge­ment car­bo­né et plus coû­teux que l’élec​trique aujourd’​hui, et la pro­duc­tion d’hy​dro​gène bas-car­bone risque aus­si de ne pas être à l’é​chelle pen­dant encore plu­sieurs années, ce qui limite ses capa­ci­tés à par­ti­ci­per aux néces­saires baisses d’é​mis​sions du sec­teur à court terme²⁸.

Au niveau fran­çais et tous sec­teurs confon­dus, le plan hydro­gène pré­voit une baisse d’é​mis​sions de l’ordre de 6 MtCO₂d’i​ci 2030²⁹, soit une réduc­tion équi­va­lente à 1,4 % des émis­sions natio­nales actuelles (418 MtCO₂e en 2021³⁰). Si le poten­tiel est loin d’être négli­geable, il reste limi­té alors que l’ob​jec​tif euro­péen est désor­mais de bais­ser les émis­sions de 55 % d’i​ci 2030 par rap­port à 1990³¹.

L’hy​dro​gène ne doit pas être vu comme une solu­tion miracle pour décar­bo­ner les trans­ports, car il ne l’est pas.

Pour autant, il ne fau­drait pas dis­cré­di­ter tota­le­ment les pos­si­bi­li­tés que l’hy​dro​gène bas-car­bone peut offrir, sur­tout pour l’in​dus​trie ou comme solu­tion com­plé­men­taire pour les trans­ports à plus long terme – qui néces­sitent des inves­tis­se­ments et un amor­çage de la filière dès aujourd’​hui³². Un cer­tain sou­tien public au déve­lop­pe­ment de la filière est donc néces­saire, avec cepen­dant 3 précautions :

• Les pos­si­bi­li­tés doivent être étu­diées avec pru­dence et déve­lop­pées sans pré­ci­pi­ta­tion, au vu des nom­breux défis (tech­niques, éco­no­miques, de pro­duc­tion bas-car­bone…) qu’il reste à rele­ver pour la filière. Sans cette néces­saire vigi­lance, le risque serait grand de déve­lop­per trop vite des usages qui res­te­raient car­bo­nés à l’a​ve​nir³³.
• Le déve­lop­pe­ment de l’hy​dro​gène dans les trans­ports doit avant tout être déve­lop­pé de manière prag­ma­tique, plu­tôt que sur des fausses croyances et illu­sions tech­no­lo­giques, ce qui est encore trop sou­vent le cas.
• Sur­tout, comme pour les autres tech­no­lo­gies de décar­bo­na­tion, l’hy​dro​gène ne doit pas être uti­li­sé comme un pré­texte pour cacher l’ur​gence de la sobrié­té dans les trans­ports afin de réduire rapi­de­ment ses émis­sions… un argu­ment abon­dam­ment uti­li­sé par exemple par le sec­teur aérien avec l’a​vion à hydro­gène, afin de faire diver­sion à la néces­saire modé­ra­tion de son trafic.

Sans ces pré­cau­tions, l’hy​dro​gène pour­rait faire plus de mal que de bien à la tran­si­tion éner­gé­tique des transports…