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Quel rôle doit jouer l’hydrogène dans la transition écologique ?

Les investissements dans la filière de l’hydrogène sont en train d’exploser en 2022. L’introduction en bourse de l’entreprise française Lhyfe en mai dernier a constitué un événement majeur en France et à l’échelle mondiale, les levée de fonds se multiplient. H2 green steel (1) a ainsi levé en septembre 191M$ après que Monolith ait levé 300M$ en juillet.


Ce regain d’intérêt récent est l’occasion de comprendre les champs d’application de l’hydrogène, les enjeux qui se présentent à son développement et pose la question de son utilité dans la transition écologique.


L’hydrogène : de quoi il s’agit


L’hydrogène est un atome, le plus présent sur Terre mais qui a la particularité d’être naturellement associé à d’autres atomes pour former des molécules (CH4, H2O). Le dihydrogène (H2) est quant à lui un gaz peu présent naturellement sur Terre. Et pour obtenir de l’hydrogène (qui est en réalité du dihydrogène), il faut séparer ces atomes qui forment des molécules.


L'équation bilan de l'électrolyse de l'eau est par exemple : 2 H2O (l) → O2(g) + 2 H2(g)


De plus, l’hydrogène n’est pas une source d’énergie (comme le soleil ou le pétrole) mais ce qu’on appelle un vecteur énergétique, comme l’électricité. C’est un moyen de transporter de l'énergie mais il faut le transformer de nouveau pour l’utiliser comme énergie finale.


Il existe différentes façons de produire de l’hydrogène, en voici un tableau récapitulatif (2) :



Les différentes couleurs d’hydrogène, France Hydrogène, 2022


Cette nomenclature résume les appellations pour l’hydrogène qui recouvre des techniques de productions très différentes.


L’hydrogène présente plusieurs avantages, parmi lesquels sa faculté à être transformé à l’état liquide ou gazeux, permettant ainsi de stocker l’électricité issue des sources renouvelables intermittentes mais aussi sa multiplicité de cas d’usage (3)


Ses domaines d’application et son rôle à jouer dans la transition bas carbone


Que ce soit en France ou à plus large échelle, une vision commune de l’intérêt de l’hydrogène se dessine pour réaliser une transition bas-carbone.

L’hydrogène permet notamment de produire deux formes d’énergies :

  • de la chaleur via une combustion, ce qui est particulièrement utile pour l’industrie

  • de l’électricité via une pile à combustible, ce qui est particulièrement utile pour le transport

En France, RTE (le gestionnaire du réseau de transport d’électricité) a imaginé différents scénarios de production (4) qui permettraient au pays d’atteindre la neutralité carbone à l’horizon 2050. Parmi ses recommandations, l’entreprise française affirme que “Créer un « système hydrogène bas-carbone » performant est un atout pour décarboner certains secteurs difficiles à électrifier, et une nécessité dans les scénarios à très fort développement en renouvelables pour stocker l’énergie”.


L'hydrogène serait un vecteur énergétique très prometteur pour :

  • Décarboner l’industrie en faisant émerger une filière française de l’électrolyse,

  • Développer une mobilité lourde à l’hydrogène décarboné, plus particulièrement le fret et la mobilité longue distance

  • Soutenir la recherche, l’innovation et le développement de compétences afin de favoriser les usages de demain.


Au niveau européen, la Présidente de la Commission Européenne, Ursula Von der Leyen, a annoncé la création d’une banque européenne de l’hydrogène doté de 3 milliards d’euros (5). La création de cette banque vise à financer le développement de l’hydrogène vert dans le cadre du plan énergétique européen RePowerEU. L’ambition est de produire 10 millions de tonnes d’hydrogène vert chaque année d’ici 2030.


A l’échelle mondiale, l’Agence Internationale de l'Énergie insiste dans son dernier rapport (6) sur l’importance de l’hydrogène pour réduire les émissions de gaz à effet de serre. Elle estime que ce vecteur énergétique “pourrait contribuer à éviter l'utilisation de 14 milliards de mètres cubes par an de gaz naturel, de 20 millions de mètres cubes par an de charbon et de 360 milliards de barils par an de pétrole d'ici à 2030, ce qui équivaut à plus que l'offre actuelle de combustibles fossiles en Colombie.”


L’Agence Internationale de l'Énergie a par ailleurs établi des recommandations pour accélérer la production et l'utilisation d'hydrogène à faible taux d'émission :

  • Passer des annonces à la mise en oeuvre concrète des politiques annoncées

  • Relever les ambitions en matière de création de la demande dans les applications clés

  • Identifier les possibilités d'infrastructures pour l'hydrogène et veiller à ce que les actions à court terme s'alignent sur les plans à long terme

  • Intensifier la coopération internationale pour le commerce de l'hydrogène

  • Supprimer les barrières réglementaires


D’un point de vue sectoriel, l’hydrogène devrait être utilisé d'une part dans l’industrie et plus particulièrement la sidérurgie et d’autre part, dans la mobilité longue distance et le fret.



Un exemple de producteur d’hydrogène renouvelable : Lhyfe

En 2020, Chloé Cohen de Starquest Capital publiait ce mapping sur la filière hydrogène (7) :


Parmi les nombreuses startups identifiées, il y avait Lhyfe. En mai dernier, cette scale-up a fait son introduction en bourse, 5 ans après son lancement et après avoir levé 85M€. L’entreprise vendéenne déploie des usines de production d’hydrogène renouvelable à partir de l’électrolyse de l’eau. Elle opère un premier site de production et présentait un pipeline commercial d’une centaine de projets au moment de son IPO.


Un exemple concret : Hy2gen

Hy2gen s’est fixé comme ambition de transformer le transport maritime, le transport terrestre et l’aviation vers une transition bas carbone en produisant du carburant de synthèse réalisé à partir de l’hydrogène vert.

En février 2022, la startup a réalisé une levée de fonds de 200 millions d’euros avec Hy24, Mirova et la Caisse des Dépôts et Placement du Québec et Technip Energies. Hy24 est l’un des rares fonds d'investissement spécialisé dans le financement des infrastructures hydrogène qui a été lancé par Ardian et FiveT Hydrogen et qui pèse 1,8 milliard d’euros. C’est l’une des levées de fonds les plus importantes jamais réalisée dans la filière de l’hydrogène vert. Ces investissements leur permettront de financer l’installation de nouvelles infrastructures de capacité de 880 MW et pouvant atteindre jusqu’à 12GW.


Les défis de l’hydrogène


Malgré le grand intérêt de l’hydrogène dans la transition énergétique selon plusieurs organisations professionnelles (RTE, AIE) et politiques (UE) ainsi que l’appétit des investisseurs pour cette filière, plusieurs défis perdurent, que ce soit en matière d’amélioration des rendements, de sécurité, d’évolution technologique, de compétitivité prix ou de construction d’infrastructures.


Le principal intérêt de l’hydrogène réside dans sa capacité à permettre de stocker sur le surplus d’électricité sur le réseau, en particulier issue des énergies renouvelables à un moment où la demande est inférieure à la production (par exemple la nuit). Cependant, le rendement énergétique de production de l’hydrogène n’est pas très bon (30% contre 40% pour les moteurs thermiques). Qu’il soit produit sous forme gazeuse par compression ou sous forme liquide, il y a toujours des pertes importantes.


La sécurité est un défi important de l’hydrogène(8). Du fait de sa petite taille et qu’elle est facilement inflammable, la molécule de dihydrogène présente un potentiel explosif. Un ensemble de normes à respecter existent déjà aux endroits où l’hydrogène est manipulé et ces précautions devront être décuplées à mesure que cette filière se développe. Il est impératif que les usagers soient formés à son utilisation pour éviter au maximum les accidents. Par le passé, des explosions ont eu lieu comme le drame du dirigeable Hindenburg (9) aux Etats-Unis en 1937. A cela s’ajoute la volatilité de la molécule : étant donné sa petite taille, les gazoducs existants ne sont pas forcément adaptés aujourd’hui car l’hydrogène peut s’engouffrer dans les petites fissures ou même au sein de la structure cristalline des métaux et son potentiel de réchauffement global est très élevé (plus que le méthane). Les fuites d’hydrogène peuvent être des catastrophes environnementales.


Le secteur aéronautique est l’un des secteurs les plus moteurs dans le développement de l’hydrogène. Et pour cause, il serait un substitut intéressant au kérosène. Cependant, il réside des enjeux majeurs qui nécessitent des évolutions technologiques importantes…(10) et rapides. Au-delà de la sécurité qui est une véritable contrainte, l’hydrogène pose des problèmes de place -étant donné qu’il est bien plus volumineux que le kérosène- mais aussi de poids et l’énergie consommée dans la mesure où il serait transporté à l’état liquide à très basse température.


A tout cela s'ajoute son prix (11). Aujourd´hui, le coût de production de l’hydrogène gris se situe entre 1,5 €/kgH2 et 4 €/kgH2. L’hydrogène renouvelable ou bas carbone présente des coûts moyens autour de 7-8 €/kgH2. L’hydrogène distribué en station -qui n’est pas renouvelable- se situe aujourd’hui dans une moyenne entre 9 et 12 €/kg, sachant qu’un véhicule léger consomme environ 1 kgH2/100 km. Il faut alors s’attendre à ce que l’hydrogène vert soit plus cher que les carburants fossiles à la pompe, au moins pendant ses premières années de développement. De plus, le coût de l’électricité représente jusqu’à 80% du prix final de l’hydrogène vert : un véritable enjeu à l’heure de la hausse des prix de l'électricité.


Le dernier défi est celui des infrastructures : que ce soit au niveau de la production ou de la distribution, il sera nécessaire d’accroître drastiquement en quelques années les capacités de production électrique à partir de renouvelables et les infrastructures de production, transport et distribution de cet hydrogène.


Limites écologique et critiques


Il est indéniable que l’hydrogène est un vecteur énergétique d’intérêt pour ses nombreuses applications et sa capacité à permettre le stockage d’électricité. Ainsi, il est présenté comme une solution pour atténuer le changement climatique. Cependant, des défis font face à son développement et s’ils sont plus ou moins complexes, il est envisageable que certains soient résolus ou beaucoup atténués avec le temps.


Il reste néanmoins quelques limites écologiques qu’il convient d’avoir en tête au moment de parler de l’hydrogène et avant de lancer des grands plans d’investissements massifs.


L’une des questions centrales est la temporalité. Tout d’abord parce que pour produire de l’hydrogène vert, il faut de l’électricité verte et donc des énergies renouvelables. Et pour les développer, il faut des terres rares mais aussi du temps (beaucoup de temps). Puis pour acheminer, stocker et utiliser cet hydrogène vert, il faut des infrastructures, qui, elles aussi, demandent du temps avant d’être mises en place. Et pour surmonter tous les défis que celui-ci pose (c.f plus haut), des années de R&D sont encore nécessaires. A l’heure de l’urgence climatique, avons-nous encore le temps d’attendre ?


D’autre part, le recours aux énergies renouvelables pour produire de l’hydrogène à l’heure où il est surtout nécessaire de les développer à la place des énergies fossiles pose la question de la priorisation des usages de cette électricité qui pourrait être utilisée plus directement avec moins de pertes d’énergie. En particulier dans les cas où le taux d’ensoleillement ou les conditions de vent seraient insuffisants par rapport à la demande en électricité. Il est vrai que dans le cas contraire, en cas de surplus d’électricité produite par les renouvelables, l’hydrogène prendrait alors tout son sens.


Cette question de l’usage prioritaire de l’hydrogène se pose également pour les voitures sur les courtes distances où la batterie est déjà très performante et surtout pour l’aviation. Dans un premier temps, dans le contexte actuel de crise écologique, est-il plus important de faire voler les avions ou de faire avancer les navires marchands et les poids lourds ?


L’hydrogène est un vecteur énergétique qui est intéressant pour décarboner certains secteurs et stocker des surplus d’électricité. Il reste de nombreux défis à affronter et il est nécessaire que nous nous demandions collectivement si c’est la solution la plus pertinente à développer dans la situation d’urgence actuelle et pour quels usages nous souhaitons prioriser son utilisation.



Article co-écrit par Claire Depasse, étudiante à Audencia et Melchior Mesnard, étudiant à SKEMA et co-fondateur de re.boot

Remerciements à Gilles Guerassimoff, professeur à Mines ParisTech et Corentin Villalonga, diplômé du Msc Energy Market Management de CentraleSupélec pour leur contribution.

 

Sources :

[10] Voyager bas carbone, PTEF, 2022

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