76 REE N°2/2015 L'HYDROGÈNEDOSSIER 1 L’hydrogène dans la transition énergétique Trois facteurs clés : la production, les applications à la mobilité et l’acceptation par le public Par Jean-Guy Devezeaux1 , Christine Mansilla2 , Elisabeth Le Net3 , Alain Le Duigou4 docteur d’Etat en sciences économiques, directeur de l’I-tésé1 , docteur en sciences de l’ingénieur2 docteur en économie3 , docteur ingénieur en génie mécanique4 Most hydrogen is currently produced and consumed for the synthesis of ammonia and oil refining. In addition, the use of hydrogen as energy vector for mobile and stationary applications may represent a huge potential market in the next few decades. Prototype installations are at work to contribute to the electric system management and hundreds of experimental hydrogen vehicles are on the roads. Many research programs focus on the direct use of hydrogen in transporta- tion, as a fuel for fuel cells or a mixture with natural gas, production of biofuels and synthetic fuels, or for electricity storage. The energy transition will last till 2050 and beyond. Until then, very significant progress will be made. The CEA diagnosed that the first significant hydrogen markets will be that of transportation (including through range- extender electric cars), initially in captive or business fleets, from 2025/2030. The contribution of second genera- tion biofuels will be significant from 2030. The taxation policy will be a core lever to make this transition possible. The potential of hydrogen to facilitate the transition is real, but it must be confirmed. Water electrolysis techno- logies are making significant progress, mainly high temperature electrolysis, and hydrogen production by ther- mochemical conversion of biomass still requires efforts to reduce the costs. As regards the fuel cells, large-scale research is pursued to increase the lifetime, as well as for electrolyzers, and to increase the reliability. We must not limit the pilot-scale experiments too close to existing systems profitability: we must prepare the future technologies to succeed in the medium and long-term transition. ABSTRACT Introduction L’évaluation de la place que l’hy- drogène peut jouer dans la transition énergétique nécessite une démarche prospective intégrant de nombreux cri- tères d’appréciation. La plupart d’entre eux sont évoqués dans les autres ar- ticles constitutifs du présent dossier de la REE. Nous voulons dans le présent article donner un coup de projecteur sur trois domaines dans lesquels le CEA dispose d’une expertise particulière et qui constituent des facteurs clés pour le déploiement de l’hydrogène dans un mix énergétique bas carbone. Les coûts de production de l’hydrogène L’hydrogène est actuellement pro- duit à 95 % par reformage du méthane (SMR), technologie fortement émettrice de CO2. Le coût de production de l’hy- drogène par électrolyse est aujourd’hui environ deux fois plus élevé que le SMR (steam methane reforming) d’après une note de France Stratégie publiée en août 20141. Cette situation est appelée à changer avec les progrès de l’électrolyse. Il existe en effet actuel- lement trois principaux types d’électroly- seurs d’eau déjà commercialisés ou en cours de développement : liquide) ; - brane, en référence à l’électrolyte poly- mère solide) ; - lyte céramique solide, aussi appelé à haute température). L’électrolyse haute température (EHT) a accompli récemment d’impor- tants progrès. Ce procédé fait l’objet 1 Y a-t-il une place pour l’hydrogène dans la transition énergétique ? – France Stratégie – Note d’analyse N°15- août 2014. Voir égale- ment l’article d’Etienne Beeker dans le présent numéro de la REE. d’un programme de recherche impor- tant au CEA. Avec ce procédé, une pro- duction d’hydrogène en grande quantité est possible et la compétitivité est en vue d’ici quelques années, selon les usages. Le mode réversible est égale- ment une possibilité, à savoir le fonc- tionnement en mode « pile » afin de produire de l’électricité. Les progrès ré- cents concernent par exemple l’obten- tion de très bons rendements sur des stacks (empilements) de 25 cellules (consommation électrique de 3 kWh/ Nm3 d’hydrogène produit), la durabilité (quelques pourcents de dégradation par 1 000 h), le cyclage électrique (possibi- lité de suivre des transitoires très rapides sans induire de dégradation supplémen- taire), l’absence de dégradation addi- tionnelle observée en mode réversible sur plusieurs cycles. En outre, l’EHT per- met une grande flexibilité en puissance. Le coût des technologies actuelles est également amené à décroître signi- REE N°2/2015 77 L’hydrogène dans la transition énergétique ficativement dans les années à venir comme le montre une étude récente réalisée auprès de fabricants d’électroly- seurs. La figure 1 montre les évolutions constatées et prévisibles, des coûts d’in- vestissements des électrolyseurs alca- /kW). Un coût de production de l’ordre de 4 à 6 /kg d’hydrogène, dans le cadre d’une production massive et d’une uti- lisation longue (autrement dit d’un fac- teur de charge élevé), est souvent dans la fourchette que nous retenons pour les études économiques à l’horizon 2030. Le facteur de charge de l’ensemble de la chaine est un paramètre crucial. Si l’on souhaite bénéficier d’énergie venant de sources renouvelables « variables » ou « intermittentes », les coûts sont plus élevés aujourd’hui. Mais à moyen et long termes, avec des coûts réduits d’électrolyseurs et de stockage de l’hy- drogène (stockage souterrain notam- ment) du fait de progrès en cours et à venir sur les procédés, on envisage des coûts de production au moyen d’élec- trolyse alimentée par un mix électrique comportant 50 % voire plus d’énergie renouvelable (éolienne) de l’ordre de 6 /kg à l’horizon 2030/2050, d’après les derniers calculs du projet HyUnder2 . Il faut comparer ces montants à ceux de la technologie SMR, avec un gaz dont le prix peut assez probablement évoluer à la hausse et des coûts de CO2 qui iront croissants. La parité n’est pas pour les prochaines années, mais peut raisonna- blement s’envisager d’ici 2030 à 2050. La mobilité hydrogène L’hydrogène est susceptible de jouer deux rôles majeurs dans la transition des transports, objectif primordial, ce secteur étant le plus « carboné » de tous. D’une part, l’hydrogène constitue un intrant d’une gamme de procédés qui permettent de transformer la biomasse 2 http://www.hyunder.eu/ ligno-cellulosique en biocarburants (de 2e génération). Cette approche permet de décarboner les véhicules sans agir sur le groupe moteur ou sur le stockage embarqué du carburant. L’utilisation d’hydrogène dans le procédé permet de valoriser au mieux les atomes de carbone issus de la biomasse, en n’utili- sant que très peu de cette dernière pour apporter de l’énergie dans la production des carburants. Ainsi, la ressource sylvi- cole ou agricole est nettement mieux valorisée (jusqu’à un facteur 2), amé- liorant d’autant l’indépendance énergé- tique du pays et permettant d’alléger la difficile question de la compétition entre production agricole vivrière et à finalité énergétique. Le time-to-market de cette famille de technologies se situerait vers 2030, notamment selon les choix de politique fiscale. Ces carburants avec apport d’hy- drogène pourraient selon certains scé- narios à 2050 (par exemple le scénario « Vecteurs Diversifiés » de l’ANCRE3 ) 3 Alliance Nationale de Coordination de la re- cherche pour l’Energie. Figure 1 : Perspectives d’évolution du coût des électrolyseurs à l’horizon 2030. Source : Etude E4Tech pour le Fuel cells and Hydrogen Joint Undertaking (février 2014). 78 REE N°2/2015 L'HYDROGÈNEDOSSIER 1 couvrir plus de 20 % des besoins du transport routier4 . D’autre part, l’hydrogène peut être utilisé directement comme combustible, en produisant de l’électricité via une Des programmes internationaux de grande ampleur travaillent dans ce sens (Allemagne, Japon). Les études menées par le CEA/I-tésé montrent que le mar- ché émergera d’abord via des véhicules hybrides, associant batteries électriques HyUnder par exemple montre que dans un scénario de moyen terme réaliste (à l’horizon 2030), avec un coût total de l’hydrogène fourni à la pompe, donc en bout de chaine, d’environ 10 /kg5 (production par électrolyse avec électri- cité « bas carbone » à un coût de 4 à 6 /kg), il est possible de disposer d’un système économique compétitif même s’il inclut une taxation pouvant atteindre 4 Le rôle des biocarburants avancés dans le transport aérien est également à mentionner. 5 Sachant qu’il faut environ 1 kg d’hydrogène pour parcourir 100 km dans un véhicule de catégorie C utilisant une PAC. ici jusqu’à 2,5 /kg. Les autres coûts de la chaine sont le stockage, la distribution et les coûts de compression. Ces ordres de grandeur montrent que des marchés importants (au sens de la transition, c’est-à-dire impliquant des centaines de milliers de véhicules) se développeront d’ici 10 à 15 ans, en commençant très probablement par des flottes captives. Le cas des véhicules hybrides re- chargeables avec un “range extender” fonctionnant à l’hydrogène est parti- culièrement intéressant. En effet, le rechargement en continu de la batterie par la pile à combustible ne nécessite, en assignant la partie « puissance » à la batterie, qu’un dimensionnement limité de la pile à des valeurs au moins trois fois inférieures à celle nécessaire en architecture pile à combustible seule : la valeur maximale nécessaire ne dépend alors que de la vitesse moyenne du véhicule, et peu des pics de puissance qui ne sont que rarement nécessaires, et assurés par la batterie. Le graphique de la figure 2 issu d’un article publié par l’International Journal of Hydrogen Energy montre que même des coûts élevés à la pompe pourraient rester rentables pour des véhicules hy- brides avec “range extender” (FCRE). A l’horizon 2050, plusieurs scénarios significatif (de l’ordre de 10 % à 20 % du transport routier6 7 ). S’y ajoutera la contribution de l’hydrogène à la produc- tion de biocarburants qui pourrait être du même ordre à cet horizon. Enfin, Il faut noter à nouveau que, comme les produits pétroliers supportent des droits d’accise importants, lesquels contri- buent fortement au budget de l’Etat, les choix fiscaux seront déterminants. Si les décisions sont prises en maintenant les recettes fiscales liées au transport (hors « taxes » CO2 ) à un niveau constant, la substitution par de l’hydrogène aux car- burants actuels sera difficile (le taux de taxe serait de l’ordre de 4 /kg H2 ). Il serait probablement pertinent de modu- ler ce taux pour le garder à des niveaux de quelques euros par kilogramme tant que le marché ne sera pas largement développé, puis de l’augmenter ensuite, une fois acquis le démarrage de la filière. L’acceptation par le public L’hydrogène peut faire peur… quelques traces de l’incendie du zeppe- lin Hindenburg en 1937 subsistent dans les esprits. Mais il faut constater que ce vecteur énergétique jouit plutôt d’une très bonne image. Le projet AIDHY8 (AIde à la Décision pour l’identification et l’accompagne- ment aux transformations sociétales induites par les nouvelles technologies de l’HYdrogène) a étudié, il y a quelques années, la perception de l’hydrogène par 6 HyWays - an integrated project to develop the European Hydrogen Energy Roadmap. http:// www.hyways.de/ 7 LeDuigou,Aetal.,HydrogenpathwaysinFrance: Results of the HyFrance3 Project, Energy Policy, Volume 62, November 2013, Pages 1562–1569, doi:10.1016/j.enpol.2013.06.094 8 http://www.alphea.com/rubrique.php?id_ru- brique=2050 Figure 2 : Prix maximum de l’hydrogène à la pompe pour diverses combinaisons de puissances de PAC et de kilométrages annuels, selon le prix des PACs – Source : A Le Duigou, A Smatti1 . 1 A Le Duigou, A Smatti, “On the comparison and complementarity of batteries and fuel cells for electric driving”, Int J Hydrogen Energy, Volume 39, Issue 31, 22 October 2014, Pages 17873–17883; http://dx.doi.org/10.1016/j.ijhydene.2014.08.077 REE N°2/2015 79 L’hydrogène dans la transition énergétique nos concitoyens. Les deux graphiques de la figure 3 (établis par des sondag- es de population représentatifs, basés sur la méthode des quotas) montrent qu’à la question relative aux mots qui viennent spontanément pour parler de l’hydrogène, les quatre premiers termes ont une connotation positive, et qu’à la question de la perception du déploie- ment de son usage, les réponses posi- tives sont majoritaires. ampleur ont été effectués pour tester la robustesse d’éléments a priori sensibles (en termes de sécurité) des chaines hydrogène : en particulier les réser- voirs embarqués à très haute pression (typiquement 700 bars). Ces tests ont été concluants et montrent les perfor- mances très élevées atteintes par les dernières générations (résistance au choc, surpression et poinçonnement en particulier9 ). Cette situation a rendu possible l’immatriculation récente de véhicules hydrogène en France (la H2 City FAM en décembre 2011, puis les HyKangoo de le cadre du projet MobilHyTest10 ). Conclusion L’hydrogène est actuellement majori- tairement utilisé dans l’industrie (notam- ment le raffinage et les engrais). Son usage énergétique dans des applica- tions de niches commence à se déve- lopper. Des installations prototypes sont à l’œuvre dans la gestion des sys- tèmes électriques (comme la plate- forme Myrte11 ). Les premiers véhicules à hydrogène expérimentaux sont sur les routes (notamment pour le transport en commun). De nombreux programmes 9 http://www.actu-environnement.com/ae/ news/CEA_air_liquide_reservoir_stockage_ hydrogene_6233.php4 10 Voir article de Pascal Mauberger & al. dans le présent numéro de la REE. 11 http://myrte.univ-corse.fr/ de recherche portent sur l’usage direct d’hydrogène dans le transport, comme adjonction à du gaz préexistant, pour la production de biocarburants, la valo- risation du CO2 ou pour le stockage de l’électricité (gestion de l’intermittence notamment). Les progrès technolo- giques récents sont nombreux (stockage, électrolyse12…). La transition énergétique s’étagera jusqu’à 2050 et au-delà. D’ici là, de très importants progrès auront été accomplis. 12 http://www.afhypac.org/fr/accueil Le CEA, via les anticipations pos- sibles sur les progrès technologiques et les analyses économiques sur les pilotes et démonstrateurs, a diagnostiqué que l’un des premiers marchés quantitatifs de l’hydrogène sera celui des transports (notamment via des range extenders hy- drogène), initialement au sein de flottes captives ou professionnelles, probable- ment à partir de 2025/2030. L’autre voie, complémentaire, est celle de sa contribution à la production de biocar- burants de seconde génération avec une pénétration significative à 2030. Un Figure 3 : Image spontanée de l’hydrogène : résultat d’enquête - Source : Projet AIDHY. 80 REE N°2/2015 L'HYDROGÈNEDOSSIER 1 sujet central pour permettre ce dévelop- pement sera cependant la politique de taxation des sources d’énergies utilisées dans les transports. Le potentiel de l’hydrogène pour faci- liter la transition est réel, mais il faut le - sable de faire progresser la science et la technique. Ainsi, en termes de recherche, les technologies d’électrolyse de l’eau font des progrès importants (électro- lyse haute température) et méritent un effort continu, avant un développe- ment à grande échelle. La production d’hydrogène par transformation ther- mochimique de la biomasse requiert des efforts pour en réduire le coût. Les réflexions sont ainsi en cours pour identifier des synergies entre différentes activités industrielles. Dans le domaine des piles à combustible, des recherches d’envergure doivent être poursuivies afin d’accroître la durée de vie des piles ou électrolyseurs, d’en réduire les coûts et d’accroître leur fiabilité. Ainsi, le déve- loppement d’électrolyseurs réversibles en mode de pile à combustible (pos- sible avec les technologies haute tem- pérature) permettrait de faciliter cette inter-conversion souhaitée entre élec- tricité et hydrogène tout en minimisant les investissements nécessaires. Dans ces domaines, il ne faut pas limiter les décisions de construction de pilotes aux technologies jugées très proches de la rentabilité : de fortes évolutions (ou ré- volutions) technologiques seront néces- saires pour réussir la transition à moyen et long terme : il faut les préparer. LES AUTEURS Jean-Guy Devezeaux de Lavergne est ingénieur de l’Ecole supérieure d’électri- cité (Supélec), ingénieur en génie Atomique INSTN et docteur d’Etat en sciences économiques. Ses spécialités sont la macroéconomie théorique et appliquée, l’économie de l’énergie et des politiques énergétiques, l’économie du long terme et des externalités. Après divers postes dans la stratégie puis la technique à AREVA, il dirige l’Institut de technico-économie des systèmes énergétiques du CEA (I-tésé) depuis mi 2009. Il a publié plus de 140 articles dans des revues ou des conférences. Dans le cadre du Débat national sur la transition énergétique lancé, l’ANCRE (Alliance nationale de coordination de la recherche pour l’éner- gie) a été sollicitée afin d’apporter des éclairages sur les « futurs » possibles pour la France, dans un contexte européen et mondial. J.G. Devezeaux est l’un des animateurs du groupe de travail Scénario de l’ANCRE. Il co-anime le groupe programmatique économique de l’Alliance. Christine Mansilla est ingénieur de l’Ecole centrale de Lille, titulaire d’une - tut polytechnique de Grenoble. Expert CEA, chargée d’études sur les nouvelles technologies de l’énergie depuis 2007 à l’I-tésé, ses thématiques de recherche sont tournées vers la production d’hydrogène, le système électrique, l’analyse et l’optimisation multicritère. Elle est co-auteur de près de 30 articles dans des revues internationales à comité de lecture et de plus de 30 communications dans des conférences internationales. Elisabeth Le Net est docteur en économie et travaille sur les thématiques des bioénergies (notamment les biocarburants de deuxième génération), les ques- tions d’approvisionnement, les analyses territoriales et la prospective énergé- tique. Elle co-anime le groupe programmatique n°1 biomasse ANCRE (Alliance nationale de coordination de la recherche sur l’énergie), elle est membre du (SHS) et ALLENVI (Environnement). Alain Le Duigou Ingénieur en génie Mécanique, expert CEA Energétique, procédés, hydrogène, technico-économie. Entré au CEA en 1983, il a successivement fait de la re- cherche en corrosion dans les domaines du retraitement et de la décontami- nation, assuré la responsabilité d’un bureau d’études puis d’un laboratoire de conception des composants des séparateurs du procédé SILVA, avant d'assurer la coordination de divers projets dans les domaines de l'aval du cycle nucléaire (entreposage, stockage), puis de l'hydrogène (R&D CEA, HYTHEC, HyFrance3). Il a rejoint l'I-tésé en 2008 et est actuellement en charge des systèmes hydro- gène et de la mobilité électrique.