Les 10 choses à savoir sur l’hydrogène dans les transports

L’hydrogène est à la fois l’atome le plus petit et le plus abon­dant de l’univers. 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’univers et 63 % des atom­es de notre corps (et respec­tive­ment 75 % et 10 % en masse)¹.

Mais quand on par­le d’hydrogène dans la tran­si­tion énergé­tique, on par­le davan­tage de la molécule de dihy­drogène (H₂)². À quelques excep­tions près de gise­ments d’hydrogène natif peu con­nus et peu exploités aujourd’hui, l’hydrogène ne con­stitue pas une source d’énergie 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’électricité), et la ques­tion est notam­ment de savoir si cette pro­duc­tion est forte­ment émet­trice de CO₂ ou non.

Il existe plusieurs méth­odes de pro­duc­tion d’hydrogène. À ce jour, l’hydrogène est pro­duit prin­ci­pale­ment à par­tir d’énergies 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’agit de la pro­duc­tion à par­tir d’énergies 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’électrolyse de l’eau, une fil­ière amenée à forte­ment aug­menter au vu des annonces récentes³.

En France, c’est 95 % de l’hydrogène qui est égale­ment pro­duit à par­tir d’énergies fos­siles. Les 5 % restants vien­nent de l’électrolyse 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’électrolyse de l’eau, avec pour objec­tif de représen­ter un peu plus de la moitié de la pro­duc­tion d’hydrogène en 2030⁶.

L’hydrogène peut être util­isé pour deux types d’usages : soit comme réac­t­if pour pro­duire autre chose, soit comme vecteur énergétique.

Aujourd’hui, l’hydrogène est essen­tielle­ment util­isé dans l’industrie comme réac­t­if, aus­si bien dans le monde qu’en France. Dans le pays, l’hydrogène sert en par­ti­c­uli­er pour le raf­fi­nage des car­bu­rants (60 %), pour pro­duire de l’ammoniac essen­tielle­ment pour les engrais agri­coles (25 %), et la chimie (10 %)⁷.

Plusieurs défis et usages de l’hydrogène sont envis­agés à l’avenir pour la tran­si­tion énergé­tique, à réfléchir en ter­mes d’ordre de mérite⁸. Il s’agit d’abord et avant tout de décar­bon­er les usages actuels de l’hydrogène dans l’industrie. Il peut s’agir aus­si de rem­plac­er d’autres usages par de l’hydrogène bas-car­bone, que ce soit pour la décar­bon­a­tion de l’industrie, les trans­ports, ou pour par­ticiper à la décar­bon­a­tion des réseaux gaziers actuels. 

Enfin, l’hydrogène pour­rait con­tribuer au stock­age d’électricité, en offrant une solu­tion de flex­i­bil­ité pour assur­er l’équilibre du réseau élec­trique⁹.

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

C’est sur les véhicules routiers que l’hydrogène 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’hydrogène décar­boné de 2020¹². L’objectif affiché en 2018 est d’atteindre 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’équivalent de 0,9 % du parc actuel d’utilitaires et 0,3 % du parc de véhicules lourds¹³.

Pour des raisons de ren­de­ment énergé­tique et de bilan car­bone, l’électrique 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’hydrogène, 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’objectif de neu­tral­ité car­bone en France d’ici 2050¹⁵. Il existe 4 voies énergé­tiques pos­si­bles dans les trans­ports : l’électricité ; l’hydrogène ; 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’hydrogène 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’économie pour les décarboner.

Sur les vecteurs élec­triques et hydrogène, le ren­de­ment énergé­tique de l’hydrogène est moins bon que l’utilisation directe de l’électricité dans un véhicule élec­trique à bat­ter­ies¹⁷. Il est en effet pos­si­ble d’utiliser l’hydrogène 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’hydrogène 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’électricité 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’usage des véhicules si l’électricité util­isée n’est pas très faible­ment car­bonée. Elle implique aus­si de plus grands vol­umes d’électricité pour décar­bon­er les trans­ports. Ain­si, décar­bon­er l’ensemble des trans­ports ter­restres (voitures, poids lourds, bus et cars, trains…) en Europe via les véhicules élec­triques néces­sit­erait l’équivalent de 43 % de l’électricité pro­duite en 2015, et 108 % dans le cas de véhicules à hydrogène. Des chiffres qui aug­mentent encore en con­sid­érant la nav­i­ga­tion et l’aérien²⁰.

Pour des raisons de ren­de­ment énergé­tique et de bilan car­bone, l’électrique est donc à priv­ilégi­er quand cela est pos­si­ble, comme pour les véhicules routiers légers (deux-roues, voitures ou encore véhicules util­i­taires). L’hydrogène trou­vera sa per­ti­nence en com­plé­ment de l’électrique, notam­ment lorsqu’il y a besoin de forts emports de charge, d’autonomies élevées et/ou de temps de recharge très courts. C’est d’ailleurs par ces avan­tages que l’hydrogène laisse espér­er ou peut don­ner l’illusion qu’il sera pos­si­ble de garder à l’avenir les com­porte­ments et usages des trans­ports per­mis par le pét­role actuellement.

Lorsque l’hydrogène est pro­duit par élec­trol­yse avec de l’électricité 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’émissions sim­i­laires aux auto­bus ou poids lourds élec­triques rechargés en France, ain­si qu’aux véhicules util­isant du biogaz. En revanche, si l’hydrogène 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’hydrogène est une con­di­tion indis­pens­able pour s’assurer de béné­fices cli­ma­tiques sig­ni­fi­cat­ifs au développe­ment de l’hydrogène 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’électricité plus impor­tantes par kilo­mètre parcouru.

D’un point de vue envi­ron­nemen­tal, et en com­para­i­son du véhicule élec­trique à bat­ter­ies, le prin­ci­pal avan­tage de l’hydrogène con­cerne les moin­dres capac­ités de bat­ter­ies néces­saires. Cela réduit la pres­sion sur les ressources et les pol­lu­tions engen­drées par l’exploitation 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 (lorsqu’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’électricité, aus­si bien au niveau du coût des véhicules que de l’énergie. Cepen­dant, les sur­coûts à l’achat 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’hydrogène, la pro­duc­tion via l’électrolyse 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’autant 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’équivalent ther­mique. Avec de l’hydrogène issu de l’électrolyse, le coût total de pos­ses­sion des poids lourds, bus et cars est de 1,5 à 3 fois plus élevé pour l’hydrogène que pour le diesel²⁴. Cepen­dant, les coûts sont prévus à la baisse, de l’ordre d’une divi­sion par deux d’ici 2030 pour la pro­duc­tion via l’électrolyse, 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’hydrogène pour­rait ain­si vari­er forte­ment selon l’évolution 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’accidents se doivent d’être maîtrisés pour assur­er la sécu­rité sur les véhicules, le stock­age ou le trans­port de l’hydrogène. Le stock­age dans les véhicules demande égale­ment de com­primer l’hydrogène, 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’électricité, aus­si bien au niveau du coût des véhicules que de l’énergie.

Aus­si, la faible den­sité énergé­tique volu­mique (quan­tité d’énergie con­tenue dans un vol­ume don­né) de l’hydrogène demande autant que pos­si­ble de penser la pro­duc­tion de l’hydrogène au plus près des lieux de con­som­ma­tion, afin de lim­iter les coûts énergé­tiques et financiers de son trans­port. Cela amène la réflex­ion de l’organisation d’écosystèmes 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’hydrogène 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’aérien, 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’hydrogène n’aura pas de per­ti­nence sur les véhicules les plus légers, plus adap­tés pour l’électrique 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’hydrogène 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’électrique 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’électrification de la ligne²⁶. Pour les bateaux, l’hydrogène sera trop dif­fi­cile d’usage pour décar­bon­er le trans­port mar­itime sur longue dis­tance, qui pour­rait cepen­dant se tourn­er vers des dérivés de l’hydrogène, à savoir l’ammoniac, le méthanol ou les élec­tro­car­bu­rants. En revanche, l’hydrogène pour­rait être adap­té pour le trans­port flu­vial, qui cor­re­spond à des vol­umes à trans­porter et des dis­tances plus faibles.

Enfin, pour l’aérien, le pari tech­nologique est lancé et jus­ti­fié par les lim­ites des autres options alter­na­tives au pét­role, notam­ment la con­cur­rence d’usage de la bio­masse pour les bio­car­bu­rants, ain­si que la matu­rité extrême­ment faible à ce jour des car­bu­rants de syn­thèse, des dérivés de l’hydrogène. En revanche, ce pari est encore soumis à de fortes incer­ti­tudes. Aus­si d’ici 2050, l’hydrogène ne pour­ra représen­ter qu’une faible part des con­som­ma­tions du secteur, jusqu’à 7 % max­i­mum des vols au départ et à l’arrivée de la France, par­mi les 3 scé­nar­ios de tran­si­tion écologique du secteur aérien de l’ADEME. Les élec­tro­car­bu­rants, des dérivés de l’hydrogène, représen­tent un poten­tiel de décar­bon­a­tion plus impor­tant, jusqu’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’échelle et l’exigence d’être pro­duits avec de l’électricité très peu car­bonée pour être avan­tageux d’un point de vue cli­ma­tique²⁷.

L’hydrogène 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’électrique aujourd’hui, et la pro­duc­tion d’hydrogène bas-car­bone risque aus­si de ne pas être à l’échelle pen­dant encore plusieurs années, ce qui lim­ite ses capac­ités à par­ticiper aux néces­saires baiss­es d’émissions du secteur à court terme²⁸.

Au niveau français et tous secteurs con­fon­dus, le plan hydrogène prévoit une baisse d’émissions de l’ordre de 6 MtCO₂d’ici 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’objectif européen est désor­mais de baiss­er les émis­sions de 55 % d’ici 2030 par rap­port à 1990³¹.

L’hydrogène 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’hydrogène bas-car­bone peut offrir, surtout pour l’industrie 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’avenir³³.
• Le développe­ment de l’hydrogène 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’hydrogène ne doit pas être util­isé comme un pré­texte pour cacher l’urgence de la sobriété dans les trans­ports afin de réduire rapi­de­ment ses émis­sions… un argu­ment abon­dam­ment util­isé par exem­ple par le secteur aérien avec l’avion à hydrogène, afin de faire diver­sion à la néces­saire mod­éra­tion de son trafic.

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