Raphael ThysL’hydrogène apparaît aujourd’hui comme une solution miracle pour lutter contre le dérèglement climatique en décarbonant une partie de l’industrie et de la mobilité. Les gouvernements se sont emparés avec enthousiasme du sujet, en accordant de lourds investissements dans la filière. Qu’est-ce que l’hydrogène et où l’utilise-t-on ? Quels en sont les avantages et inconvénients ? Les réponses à ces questions permettront de mieux comprendre les enjeux de la filière.
Qu’est ce que l’hydrogène ?
Avant toute chose, il semble bon de préciser que lorsqu’on parle d’hydrogène, on parle en réalité de dihydrogène (composition de deux atomes d’hydrogène). Peu présent à l’état naturel¹, le dihydrogène est souvent associé à d’autres atomes et doit donc être séparé pour être utilisé. Cette forme d’énergie n’est donc pas directement disponible comme les ressources fossiles (pétrole, charbon ou gaz), mais peut être définie comme un vecteur énergétique, au même titre que l’électricité. Par simplification et pour respecter le langage commun, la suite de cet article parlera d’hydrogène au lieu de dihydrogène.
Pour isoler l’hydrogène, plusieurs procédés existent mais tous ne nécessitent pas les mêmes apports en ressources et en énergie, ce qui conduit à des impacts environnementaux différents. Avant 2021, il était usuel de classifier les différentes formes de production d’hydrogène par un système de couleur, mais depuis, trois catégories (carboné, bas carbone et renouvelable) peuvent qualifier les moyens de production d’hydrogène². Cette classification simplifiée permet d’éviter toute confusion ou communication abusive au sujet de l’hydrogène.
Aujourd’hui, les moyens de production d’hydrogène les plus simples et moins coûteux utilisent des ressources fossiles. Ces modes de production carbonés représentent 96% de l’hydrogène produit en France³. Cet hydrogène peut provenir du gaz (vaporeformage), du charbon (gazéification), ou du pétrole (oxydation). En plus de son faible coût, un intérêt pour ces procédés est la possibilité de stocker les ressources fossiles. Il est en effet plus simple de transporter et stocker des ressources fossiles que de l’hydrogène.
Une autre manière d’isoler l’hydrogène sans utiliser directement de ressources fossiles est l’électrolyse de l’eau. Ce procédé permet de produire de l’hydrogène à partir d’eau et d’électricité. Toutefois, l’impact carbone dépend de la source électrique. On parle d’hydrogène renouvelable, quand celui-ci est issu d’électrolyse et dont la source électrique est une source renouvelable (éolien ou solaire par exemple). L’électrolyse dont la source électrique provient de sources fossiles ne peut être considérée comme un moyen décarboné et sera qualifié d’hydrogène carboné.
Enfin, l’hydrogène bas carbone est issu soit d’électrolyse à base de sources bas carbone non renouvelables (nucléaire) ou à partir de procédés carbonés (vaporeformage, gazéification, …) dont l’usine de production est couplée à une chaîne de captage et de stockage du carbone (CCS). Un autre exemple pour produire de l’hydrogène bas carbone est le craquage du méthane⁴. Ce procédé a l’avantage d’émettre comme déchet du carbone solide, plus facilement captable et stockable que le CO2 gazeux. D’autres solutions de production d’hydrogène bas carbone existent (de façon marginal) ou sont en développement, mais ne seront pas évoquées dans cet article.
Etat actuel de la production d’hydrogène en France. Source : RTE
L’impact environnemental de l’hydrogène
Comme vu précédemment, l’électrolyse n’est pas toujours sujet à baisser les émissions carbone. La source de production d’électricité a en effet son importance dans l’impact carbone de l’hydrogène produit. Les noms des trois catégories d’hydrogène peuvent interpeller sur l’impact carbone. Quels sont leurs réels impacts ? Y a-t-il beaucoup de différences d’un hydrogène à un autre ? Sans cette question, il est en effet possible de se tromper sur les bienfaits de l’électrolyse sur l’environnement.
Pour produire 1 kg d’hydrogène à partir d’électrolyse, aujourd’hui environ 56 kWh d’électricité sont nécessaires⁶. Ainsi, en se raccordant au mix électrique européen (constitué à environ 36% de sources carbonées⁷), la production d’hydrogène à partir d’électrolyse émet davantage de CO2 que l’utilisation de ressources fossiles direct. Aujourd’hui, utiliser l’électricité d’Europe est donc pire que le vaporeformage du gaz pour isoler l’hydrogène. En revanche, le mix électrique français, essentiellement bas carbone, présente un avantage pour réduire les émissions carbone sur la production d’hydrogène.
La capture et séquestration de carbone permet de réduire considérablement l’impact environnemental de la production d’hydrogène à partir de ressources fossiles. Si l’hydrogène est produit à partir de gaz ou de charbon, la capture et séquestration du carbone permet de réduire les émissions carbone de près de 60%, pour le vaporeformage du méthane, et jusqu’à 90%, pour la gazéification du charbon⁸. Le CCS semble donc être une technologie intéressante pour réduire l’impact carbone, non seulement pour la production d’hydrogène, mais également dans les industries émettrices de CO2.
Émission carbone de la production d’hydrogène par source de production. Sources : Royal Society of Chemistry
Un autre impact environnemental à prendre en compte est celui du stockage et du transport de l’hydrogène. A ce jour, le transport d’hydrogène représente entre 0,35 et 1,12 kgCO2/kgH2/100km, en fonction du niveau de compression (plus l’hydrogène est comprimé, plus il est possible d’en transporter dans un volume donné)¹⁰. Le déploiement de l’hydrogène à grande échelle va nécessiter davantage de stockage et de transport entre sa source de production et la consommation. L’impact environnemental de ces étapes peut donc être à l’avenir un enjeu à prendre au sérieux.
L’utilisation de l’hydrogène
L’hydrogène est souvent présenté comme un vecteur énergétique (moyen de stockage et de transport d’énergie). Cependant, de nos jours, il est principalement utilisé dans des procédés de chimie ou en raffinerie. L’hydrogène peut par exemple être utilisé comme matière de base pour la production d’ammoniac¹¹ (utilisé comme engrais), de méthanol, ou utilisé comme réactif dans des raffineries de pétrole, afin de rendre le pétrole exploitable et moins soufré¹². L’hydrogène a donc de nombreuses applications et sont utilisation peut permettre de réduire l’impact carbone d’un pays.
L’hydrogène bas carbone ou renouvelable peut être utilisé de différentes manières, et cela dépend du choix politique. D’une part, l’hydrogène bas carbone peut permettre de substituer la production d’hydrogène initialement carboné. D’autre part, l’utilisation de l’hydrogène peut être utilisée pour de nouveaux usages, évitant alors la consommation d’autres formes d’énergie. Une manière d’utiliser l’hydrogène est la pile à combustible. L’association du dihydrogène (H2) avec l’oxygène (O2) ambiant peut créer de l’eau (H2O) en libérant des formes d’énergie utiles¹³.
hydrogène + Oxygène Eau + Électricité +Chaleur
En France, le transport – premier secteur émetteur – représente environ 30 % des émissions de gaz à effet de serre¹⁴. La mobilité est donc un réel enjeu et la solution hydrogène semble prometteuse pour réduire les émissions, un véhicule à hydrogène serait jusqu’à trois fois moins émetteur de carbone par rapport à un véhicule thermique¹⁰. Nonobstant, l’utilisation de l’hydrogène pour les transports pose une question centrale pour les filières de production d’hydrogène bas carbone : seront-elles assez matures pour approvisionner les flottes de transport ? Ne serait-il pas plus intéressant de développer des véhicules électriques plutôt que ceux à base d’hydrogène ? Ces questions sont traitées plus bas dans l’article.
Une autre utilisation possible de l’hydrogène est de le considérer comme moyen de stockage¹⁵. Avec l’essor des énergies intermittentes, le stockage énergétique va être l’un des gros enjeux du XXIème siècle. La consommation électrique n’étant pas nécessairement en accord avec la production électrique, il est important de réguler le réseau par des moyens pilotables. De par ses caractéristiques techniques, l’hydrogène présente un potentiel pour améliorer la flexibilité du réseau sur des périodes de temps longues (inter-saisonnalité) et moins carboné que l’utilisation de centrales à charbon ou au gaz.
Utilisation de l’hydrogène comme moyen de stockage.
Un problème de l’hydrogène : le rendement énergétique
La production d’hydrogène par électrolyse de l’eau à partir d’électricité bas carbone semble être prometteuse du point de vue écologique. Néanmoins, un autre problème se pose : celui du rendement. Par exemple, pour utiliser de l’hydrogène dans une voiture, il faut d’abord produire cet hydrogène, le compresser ou le liquéfier pour le stocker, le transporter, et enfin l’utiliser dans une pile à combustible pour de nouveau obtenir de l’électricité, qui alimente le moteur. A chacune de ces étapes, de la production à l’utilisation, une partie de l’énergie est perdue.
Lors de l’étape de production d’hydrogène par électrolyse, plus d’un quart de l’électricité utilisée est perdue, sous forme de chaleur notamment. La compression de l’hydrogène nécessite un apport énergétique, diminuant ainsi le rendement global de l’hydrogène. Enfin, lorsque l’hydrogène est transformé en électricité au travers d’une pile à combustible, de nouvelles pertes énergétiques sont constatées : environ la moitié de l’énergie est perdue à cette étape. Selon l’ADEME, le rendement global de l’utilisation d’une voiture à pile à combustible, de la production jusqu’au moteur, est d’environ 24%⁶.
Diagramme de Sankey “power-to-H2-to-power” pour 1 kg d’hydrogène. Source : AFHYPAC¹⁶ et ADEME⁶.
L’utilisation de l’hydrogène pour alimenter des véhicules électriques entraîne donc davantage de pertes énergétiques que l’utilisation d’une batterie (76% contre 30%). C’est un facteur très important à prendre en compte pour évaluer l’intérêt de son utilisation et adopter une stratégie viable vis-à-vis de la production électrique. Si l’ensemble des transports venait à être alimenté avec de l’hydrogène, la production électrique pourrait difficilement suivre la demande. Dans la mesure du possible, il est donc préférable d’utiliser l’électricité pour alimenter les véhicules plutôt que de passer par un cycle power to gas to power avec l’hydrogène. Reste malgré tout la question des batteries …
L’avenir de l’électrolyse en France
Produire de l’hydrogène à base d’électrolyse est donc une affaire coûteuse en énergie. Si la France souhaite décarboner entièrement l’hydrogène dors et déjà utilisé, cela demandera un apport conséquent d’électricité. Mais alors, comment assurer cet apport ? Cela est-il techniquement et économiquement viable ? Pour répondre à cette question, le gestionnaire du réseau électrique français, RTE, a réalisé en 2020, une étude présentant trois scénarios de production d’hydrogène à partir d’électrolyse en France¹⁷.
Un premier scénario se base sur un fonctionnement des électrolyseurs lors des périodes de surproduction (renouvelable ou nucléaire). Étant donné que les électrolyseurs fonctionneraient lors des épisodes de faible demande d’électricité, le coût marginal de fonctionnement serait bas. Par contre, l’utilisation des électrolyseurs sur l’année serait faible et entraînerait donc d’importants coûts d’amortissement. Aussi, les électrolyseurs entreraient en concurrence avec d’autres usages flexibles de l’électricité, tels que les recharges de véhicules électriques.
Le second scénario propose un fonctionnement des électrolyseurs en continu, sauf lors des situations de tension sur le réseau électrique. Ce mode de fonctionnement peut s’accompagner de l’achat de garanties d’origine de la production d’électricité renouvelable. Le principal avantage d’une utilisation en continu est la longue durée de fonctionnement (7000 à 8000 heures par an) permettant un bon amortissement des coûts fixes et une bonne continuité de production d’hydrogène. Par contre, l’électricité appelée aura un coût économique et environnemental plus fort que dans le premier scénario.
Le dernier scénario propose un fonctionnement des électrolyseurs couplé à des installations de production d’électricité d’origine renouvelable. L’idée étant d’alimenter en priorité l’électrolyse (hors cas de tension), le surplus d’électricité étant injecté sur le réseau. Les coûts d’approvisionnement seraient contrôlés (coûts fixes des installations ENR), pour une durée de fonctionnement de l’électrolyse potentiellement significative (>40%). Un désavantage de ce type d’installation est l’éloignement entre les centres de production et de consommation (industries ou réseaux de gaz).
Si le souhait est de réduire les émissions carbone, la meilleure manière d’utiliser l’électricité française est de l’exporter vers les pays voisins. Exporter de l’électricité français vers l’Europe permet d’éviter l’utilisation de centrale à charbon et ainsi l’émission d’environ 800g de CO2 par kWh¹⁸, alors qu’utiliser cette électricité pour produire de l’hydrogène éviterait moins de 200g de CO2⁹. L’électrolyse de l’eau est donc sujet à controverse d’un point de vue environnemental, mais reste un moyen de stabiliser le réseau électrique qui accueille davantage d’énergies intermittentes.
Le coût de production d’ hydrogène
Le prix final de l’hydrogène tient compte des coûts de production, de stockage, de transport et de distribution. Ces différents coûts évoluent non seulement en fonction de l’offre et de la demande mais également avec l’évolution des nouvelles technologies. Les coûts de stockage, de transport et de distribution dépendent principalement du lieu et du type de consommation. Pour comparer les coûts des différentes technologies de production, il faut donc s’intéresser au coût en sortie d’usine.
Le coût de l’hydrogène produit à partir de vaporeformage du gaz s’élève aujourd’hui à environ 1,6 €/kg¹⁹. Si ce centre de production est couplé à un CCS, il faut ajouter au prix de l’hydrogène sorti d’usine entre 0,5 et 2,0 €/kg. L’hydrogène produit par électrolyse revient, quant à lui, à environ 4 à 6 €/kg en fonction de la technologie d’électrolyse, pour une durée d’utilisation moyenne de l’ordre de 4 000 à 5 000 heures par an et un coût de l’électricité autour de 50 €/MWh (prix spot moyen).
A l’état actuel des choses, l’hydrogène carboné est donc plus abordable que l’hydrogène bas carbone ou renouvelable. Toutefois, en plus des baisses des coûts de l’électrolyse et de la CCS, la taxation carbone peut être un véritable allié dans le développement de l’hydrogène bas carbone. La stratégie nationale bas carbone de la France fixe pour objectif un prix de 100 €/t de CO2 d’ici 2030²⁰. Cette taxe carbone va être imputée sur le prix de l’hydrogène carboné et fera de l’hydrogène bas carbone et renouvelable, des sources concurrentielles.
Évolution possible du coût de l’hydrogène par type de production
En fonction du temps d’utilisation des installations (pour l’amortissement), du prix du CO2, du prix de l’électricité issue d’énergie renouvelable ou non et des avancées technologiques, les prix futurs de l’hydrogène pourront largement varier d’une situation à une autre. La tarification de l’hydrogène sera-t-elle régulée comme pour le gaz ou l’électricité ? Quelles seront les taxes, subventions ou bénéfices attendus sur sa production commerciale ? Compte tenu de tous ces paramètres, il est en réalité difficile de se prononcer aujourd’hui sur l’évolution future des coûts de l’hydrogène en fonction de sa source.
Néanmoins, les coûts de l’éolien et du solaire continuent à baisser et le prix du CO2 tend à augmenter. Ainsi, tôt ou tard, le prix de l’hydrogène issu de sources renouvelables pourrait être plus compétitif que celui issu de ressources fossiles. Selon les hypothèses prises, l’hydrogène renouvelable pourrait atteindre, à l’horizon 2030, 2,35 €/kg²² et entre 0,63 €/kg à 1,44 €/kg d’ici 2050²³.
Conclusion
Aujourd’hui, l’hydrogène est très majoritairement produit à partir de ressources fossiles et pour des usages industriels. Cependant, l’utilisation de l’hydrogène renouvelable ou bas carbone constitue un moyen de décarboner des secteurs difficiles à électrifier, comme l’industrie de l’acier ou de la chimie. A cause des pertes importantes d’un cycle power to gas to power (environ 75%), l’utilisation de l’hydrogène dans la mobilité légère semble être moins intéressante que l’électricité²⁴.
Avec l’essor des énergies intermittentes, l’hydrogène renouvelable pourrait, à l’avenir, se présenter comme un bon candidat pour répondre aux problématiques de stockage de l’énergie. La production d’hydrogène par électrolyse est flexible et peut s’adapter aux variations de la production des énergies renouvelables et de la consommation électrique. Un des atouts de l’hydrogène est sa capacité à stocker de l’énergie sur des temps plus longs que les batteries. L’hydrogène renouvelable constitue dès lors un gisement de flexibilité important pour l’équilibre du système électrique.
Auteur : Bastien BRANCHOUX
Relecteurs : Auguste RAMS, Ruben KOHN et Esther CHAVET.
Sources :
¹ L’hydrogène naturel : curiosité géologique ou source d’énergie majeure dans le futur ? Connaissance des énergies, MORETTI, 2020.
² Ordonnance n° 2021-167 du 17 février 2021 relative à l’hydrogène. Conseil des ministres, 2021.
³ Panorama des solutions hydrogène. France Hydrogène, 2021.
⁴ Production d’hydrogène décarboné : la troisième voie. FUCHERIE, Annale des mines, 2020.
⁵ La transition vers un hydrogène bas carbone – Atouts et enjeux pour le système électrique à l’horizon 2030-2035. RTE, 2020.
⁶ Rendement de la chaîne hydrogène. ADEME, 2020.
⁷ Statistical Review of World Energy. BP stats, 2021.
Relevé des données de production électrique de l’ensemble des pays du continent (3 871,3 TWh, dont 1 380,2 TWh issu de ressources fossiles).
⁸ Levelized cost of CO2 mitigation from hydrogen production routes. B. Parkinson, P. Balcombe, J. F. Speirs, A. D. Hawkes and K. Hellgardt – The Royal Society of Chemistry, 2018.
⁹ Production d’hydrogène. ADEME, 2020.
¹⁰ Analyse de cycle de vie relative à l’hydrogène. ADEME, 2020.
¹¹ Procédé Haber. Wikipedia, 2021.
¹² Applications de l’hydrogène. Air Liquide, 2005.
¹³ Pile à combustible. H2SYS, 2022.
¹⁴ Le rapport de référence sur les émissions de gaz à effet de serre et de polluants atmosphériques en France. Secten, 2021.
¹⁵ Hydrogen. IEA, 2020.
¹⁶ Production d’hydrogène par électrolyse de l’eau. AFHYPAC, 2019.
¹⁷ La transition vers un hydrogène bas carbone. RTE, 2020.
¹⁸ Quelques facteurs d’émission. Commissariat général au développement durable, 2013.
¹⁹ Les modes de production de l’hydrogène. Assemblée nationale, 2021. Basé sur les travaux de Claude HELLER, consultant sénior sur le développement de l’hydrogène.
²⁰ L’évolution des différents prix du carbone. EnergiesDev Consulting, 2021.
²¹ Hydrogen Insights Report 2021. Hydrogen Council, McKinsey & Company, 2021.
²² Path to hydrogen competitiveness. Hydrogen Council, 2020.
²³ Hydrogen Economy Outlook. BloombergNEF, 2020.
²⁴ Le duel batteries-hydrogène pour la motorisation décarbonée du transport routier. Connaissance des énergies, 2019.