01. MONOGRAPHIE THÉMATHIQUE / 01. MONOGRAFIA TEMATICA

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1 01. MONOGRAPHIE THÉMATHIQUE / 01. MONOGRAFIA TEMATICA Moteur et verrous du développement de l hydrogène énergie. Un secteur porteur en Rhône-Alpes et au Piémont Trend di sviluppo e potenzialità della filiera idrogeno. Un settore strategico per le relazioni tra Piemonte e Rhône-Alpes. Programme Alcotra Fonds européen de développement régionel Programma Alcotra Fondo europeo di sviluppo regionale

2 Ce document a été financé par le programme Interreg Alcotra Fonds européen de Développement régional. Questo documento è stato finanziato dal programma Interreg Alcotra Fondo europeo di sviluppo regionale Responsable et auteur / Responsabile e autore: Tenerrdis, Pierre Juliet Co-auteurs / Co-autori : Environment Park, Davide Damosso et Alexandra Robasto Traduction en langue italienne et révision / traduzione in lingua italiana e revisione : Elisa Giacoma Ropolo / Environment Park, Alexia Boulanger Le document est disponible en format électronique sur le site Il documento è disponibile in formato elettronico al sito 1 ère édition / 1 a edizione:

3 Introduction / Introduzione Ce document a été rédigé par Tenerrdis avec la collaboration de Environment Park avec le but de fournir au lecteur un aperçu sur la filière hydrogène énergie en reportant les tendances internationales de la technologie et l acquis règlementaire dans la matière. Une attention particulière a été consacrée à l illustration des principales expériences et initiatives qui ont été récemment lancées dans le contexte de programmes européens ou bien par les gouvernements nationaux et par les key players du monde industriel. A ce sujet, une importante contribution a été fournie par les travaux des Journées Collaboratives et Techniques sur l Hydrogène 2011 organisées par Tenerrdis en novembre dernier et qui font l objet d une section à part. La troisième partie de la monographie est au contraire dédiée à la présentation des réalités territoriales Rhône Alpes et Piémont avec la description de la chaine de la valeur présente dans les deux contextes et la présentation des entreprises et des centres de recherche qui en font partie. Les informations ont été complétés par des éléments issus entre autres de la feuille de route de l ADEME et du document «rapport sur l industrie des énergies» de la DGEC ainsi que la roadmap FCH JU et rapport Mc Kinsey 2011 «The role of Battery Electric Vehicles, Plug-in Hybrids and Fuel Cell Electric Vehicles». Questo documento è stato redatto da Tenerrdis con il supporto di Environment Park con lo scopo di fornire al lettore una panoramica sulla filiera idrogeno energia riportando le principali tendenze che in questo momento caratterizzano le tecnologie dell idrogeno e delle pile a combustibili e sull evoluzione normativa conseguente. Un attenzione particolare è stata dedicata alla descrizione delle esperienze recentemente lanciate sia nell ambito di progetti di dimostrazione europei che in programmi governativi nazionali e dai principali key players internazionali. A questo proposito, un importante contributo è fornito dai lavori delle Journées Collaboratives et Techniques sur l Hydrogène 2011 organizzate da Tenerrdis lo scorso novembre al quale è dedicata un intera sezione del documento. La terza parte della monografia si concentra invece sulle due realtà territoriali Piemonte e Rhône Alpes con la descrizione della filiera e dei principali attori imprese e centri di ricerca - che ne fanno parte. Le informazioni riportate nel presente documento sono frutto dell esperienza dei partner e sono state integrate e supportate da diversi documenti tra cui la Roadmap ADEME (Agenzia per l Ambiente e l Energia francese), il Rapporto sull Industria dell Energia della CE, la roadmap FCH JU e il rapporto Mc Kinsey 2011 «The role of Battery Electric Vehicles, Plug-in Hybrids and Fuel Cell Electric Vehicles».

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5 1. Contexte et enjeux Le mode de développement des sociétés est confronté aujourd hui à la triple problématique des crises énergétiques, climatiques et économiques. Des changements importants vont toucher la manière de consommer l énergie et de la produire et ceci se traduit par des engagements politiques significatifs : Au niveau mondial, le protocole de Kyoto qui fixe des objectifs d émission de GES. Au niveau européen, le paquet «climat énergie» et l objectif 20 % de réduction d émission de GES, 20 % d amélioration de l efficacité énergétique, 20 % de pénétration d ENR, le tout pour Parallèlement, l hydrogène et les piles à combustibles ont été identifiées comme des technologies clef au sein du SET-Plan (Strategic Energy Technology Plan) et les activités de recherche et de démonstration technologiques sont soutenues par la commission au travers du JTI H2PAC. Aux niveaux nationaux : - En France : La loi POPE (loi programme d orientation des politiques énergétiques) a introduit le principe du facteur 4 et les lois Grenelle I et Grenelle II font de la directive européenne 3x20 contre le réchauffement climatique, un enjeu prioritaire. Le grenelle est aligné sur la directive européenne 3x20 avec un objectif ENR plus ambitieux de 23 % - En Italie: les politiques énergétiques sont développées au niveau national (Plan Energétique National) et puis articulées au niveau régional avec des plans régionaux selon le principe du burden sharing etc. La stratégie Energétique Nationale est basée sur le Plan d Action pour l Efficacité Energétique (PAEE) et le Plan d Action National (PAN) pour les Energies Renouvelables à l horizon Dans ce contexte, l hydrogène est cité comme une des potentielles options technologiques mais seulement pour ce qui concerne l utilisation de bio-hydrogène ou d hydrogène produit à partir de sources renouvelables pour la traction. L utilisation de piles à combustible n est, quant à elle, pas prise en considération pour les applications stationnaires. Ce contexte politique et réglementaire doit être particulièrement pris en compte, car comme de nombreuses technologies émergentes, le développement de la filière hydrogène sera accéléré par le support public. De plus dans l hypothèse d une évolution profonde des données énergétiques nationales impliquant fortement cette filière, un soutien politique fort, visible et sur le long terme est absolument indispensable. 4

6 2. La filière hydrogène énergie Ce document traite des deux thématiques de l utilisation énergétique de l hydrogène et de la pile à combustible. Il aborde également le sujet de la production d hydrogène. L hydrogène a un fort potentiel énergétique et peut en conséquence être utilisé dans de nombreuses applications. Il doit être fabriqué à partir de différentes sources primaires puis transporté, stocké et distribué vers l utilisateur. Le terme de vecteur hydrogène ou d hydrogène énergie est employé quand l hydrogène est utilisé comme vecteur énergétique entre la source primaire et son utilisation finale. Cette dernière pouvant être de l électricité, de la chaleur ou de la force motrice. Cette utilisation énergétique est aujourd hui marginale car la majorité de l hydrogène est utilisée en tant que composé chimique dans l industrie en raison de ses propriétés réductrices. On parle alors d hydrogène industriel que l on retrouve surtout dans le raffinage et la production d ammoniaque. De nouvelles utilisations sont aujourd hui envisagées, par exemple, dans la sidérurgie ou dans la synthèse de biocarburants de deuxième génération. La problématique de l hydrogène industriel est totalement différente de celle de l hydrogène énergie, la première étant basée sur une utilisation centralisée L hydrogène : une filière complexe. dans de grosses unités, la seconde étant d un champ d utilisation à la fois plus vaste et surtout plus diffus. Toutefois, le développement de la filière énergie aura nécessairement des liens avec la filière majoritaire aujourd hui. La pile à combustible est un convertisseur électrochimique qui produit électricité et chaleur en oxydant un carburant et en réduisant l oxygène. Le carburant qui peut être gazeux, hydrogène, gaz naturel ou biogaz, mais également liquide, méthanol, essence ou gazole. Leur puissance s étale de quelques fractions de Watts jusqu au mégawatt ce qui fait que les applications concernées vont du dispositif portable jusqu à l unité stationnaire industrielle. Les filières énergies et piles à combustibles sont liées parce que complémentaires mais peuvent également être envisagées séparément et se développer indépendamment l une de l autre. En effet l hydrogène n est pas le seul combustible utilisable dans une pile et réciproquement, la pile à combustible n est pas le seul moyen de transformer par exemple l hydrogène en chaleur. 5

7 2.1. Les piles à combustible Elles fonctionnent suivant le principe inverse à l électrolyse de l eau en utilisant la réaction entre l hydrogène ou un hydrocarbure et l oxygène, réaction qui produit de l électricité, de la chaleur et de de l eau. Suivant la membrane employée et la température de fonctionnement, on distingue plusieurs technologies. Les technologies dites basses température (dans la gamme des 60 à 120 c): La pile à combustible alcaline qui utilise l hydroxyde de potassium comme électrolyte et fonctionne à l hydrogène. La pile à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC) qui utilise une membrane polymère et fonctionne à l hydrogène. La pile à combustible à méthanol direct (DMFC) qui utilise une membrane polymère et fonctionne au méthanol. Les technologies haute température : La pile à combustible à carbonate fondu (MCFC) qui utilise un électrolyte à base de carbonates de métaux alcalins et fonctionne à l hydrogène, méthane ou gaz de synthèse à des températures de 650 C. La pile à combustible à oxyde solide qui utilise un électrolyte céramique et fonctionne à l hydrogène, méthane ou gaz de synthèse à des températures allant de 800 à 1000 C. L ensemble de ces technologies permet d accéder à une très large gamme de puissance (du Watt au Mégawatt) couvrant un très grand nombre d application. Les transports : automobiles, transports collectifs, véhicules industriels et de génie civil, engins de manutention, transport maritime et ferroviaire. Les applications stationnaires, cogénération, courant de secours, voire alimentation de sites isolés. Les applications nomades, générateurs ou chargeurs portables, pour l électronique grand public ou les dispositifs portables, type outillage. Les applications militaires (en relation avec les applications nomades) et aéronautiques du type groupes auxiliaires de puissance. Enfin si la pile à combustible est combinée avec la production d hydrogène de façon décarbonée (via les énergies renouvelables ou par vapo-reformage et capture et séquestration de dioxyde de carbone), elle devient une solution énergétique présentant des avantages énergétiques et écologiques. C est dans cette optique que cette association constitue une solution de stockage des énergies renouvelables susceptible de faciliter leur intégration dans les réseaux intelligents. Le marché du groupe de secours et du site isolé Les systèmes à pile à combustible, pour les applications de groupe de secours ont atteint aujourd hui un niveau de maturité technologique suffisant pour être en compétition avec les technologies traditionnelles avec batteries au plomb ou générateurs diesel. L adoption massive des systèmes à pile à combustible dans ce marché, demande cependant encore d importants investissements dans le développement du produit, afin de le rendre progressivement plus simple, plus fiable et surtout moins coûteux. Le volume actuel du marché des systèmes de secours est estimé aux alentours de 7 milliards de dollars, alors que celui lié aux télécommunications représente environ 46% des 277 milliards de dollars attendu pour Le développement d un générateur d hydrogène fortement intégré dans le groupe à piles à 6

8 combustible est un des facteurs critiques de succès pour les systèmes de piles à combustible, du fait qu il permettrait d éliminer la dépendance aux gaz techniques. La cogénération (CHP) En Europe, le secteur résidentiel est responsable de 40% de la consommation d énergie et de 25% des émissions de gaz à effet de serre. Dans ce domaine, la cogénération à partir d une pile à combustible est une solution fortement envisagée. Les systèmes CHP basés sur piles à combustible à oxyde solide (SOFC) sont particulièrement adaptés, grâce à leur efficacité de conversion électrique, à leur rapport élevé entre électricité et chaleur (efficacité énergétique élevée), à la température élevée à laquelle la chaleur est disponible (aux environs de C). On estime aujourd hui que des incitations adaptées pourraient conduire au remplacement de 90 millions de chaudières en Europe pour 2025, soit 30GW de capacité énergétique. Ce secteur, qui commercialement apparait prometteur et mature, voit se tourner vers lui les acteurs majeurs concepteurs/producteurs de SOFC. Certains fabricants développent actuellement des installations basées sur des piles à combustible alimentées au gaz naturel pour la fourniture d électricité et chaleur dans le cadre résidentiel. Le Japon est décidément le pays qui a le plus développé, lors des deux dernières décennies, la technologie SOFC, avec des entreprises privées soutenues par d importantes contributions financières fournies par des programmes nationaux destinés à la cogénération distribuée par piles à combustible (programme NEDO, etc.). En Corée du Sud, différentes entreprises sont actives dans le secteur des SOFC, adoptant en partie le design tubulaire de Siemens. Plusieurs programmes importants ont été lancés en particulier au Japon, en Allemagne et en Europe avec des cibles ambitieuses et la volonté de se positionner sur ce marché porteur. Ene-farm CALLUX and NIP Ene.field Timescales Countries involved Japan Germany UK, Germany, France, Netherlands, Denmark, Italy, Spain, Austria, Luxemburg, Belgium, Slovenia Electrical efficiencies 30-30% 30-34% >35% System efficiencies 60-80% 80-95% >85% (LHV) No. units >9,000 to date Unit capacity Type Integrated system consisting of fuel cell subsystem, peak heater and hot water storage tank. Designed to produce electricity and hot water Integrated system with fuel cell and peak heater to produce electricity, tap water and supply heat to the home. Storage is a supplementary part of the system 0,3-5kW Combination of integrated and separate systems. Storage is a supplementary part of the system Technology PEM and SOFC PEM and SOFC HT SOFC, IT SOFC, HT PEM and LT PEM Further information Floor standing, outdoor installation. Integration in various German heating systems. Floor standing, wall hung. Indoor installation. Integration in various European heating systems. Floor standing, wall hung. In home installation or in separate installation cabinets. Supply chain Supply Asia, Europe by 2014 Expansion in Germany Expansion across Europe Impact Target is to make Japan industry the leading manufacturer worldwide. Comparaison des cibles des différents grands programmes Part of the German national energy strategy. Savings of primary energy, reducing GHG. Build-up of industrial component and system producers. Move to demonstrate technology as a commercial prospect for the consumer and to develop the supply chains, manufacturing techniques, and support networks necessary for pan-european rollout 7

9 2.2. La production d hydrogène Le vapo-réformage du gaz naturel est le procédé le plus couramment employé aujourd hui. Il consiste à produire de l hydrogène et du dioxyde de carbone à partir de réactions entre méthane et vapeur d eau, puis entre monoxyde de carbone et vapeur d eau. Le biogaz ou d autres hydrocarbures de récupération peuvent être utilisés en lieu et place d hydrocarbures fossiles comme matière première. Le procédé est réalisé à haute température (900 c) et haute pression (20 à 30 bars) en présence d un catalyseur nickel. La production par reformage dégage environ 10 tonnes de dioxyde de carbone pour chaque tonne d hydrogène produite. Cet hydrogène ne peut être considéré comme bas carbone que si sa production est associée à la séquestration et stockage du dioxyde de carbone L électrolyse de l eau consiste à dissocier la molécule d eau en appliquant un courant électrique dans un milieu aqueux qui produit de l hydrogène à la cathode et de l oxygène à l anode. L électrolyse alcaline est utilisée sur les sites industriels et l électrolyse utilisant une membrane d échange protonique (PEM) qui est au stade pré-commercial, sont des technologies basse température. L électrolyse haute température qui est au stade de développement applique le même principe à la vapeur d eau et utilise l énergie thermique contenue dans la vapeur. Dans le cas où l électricité utilisée est d origine renouvelable, on parlera d hydrogène renouvelable ou hydrogène vert. Cette approche présente la particularité de pouvoir utiliser l énergie électrique renouvelable lorsque le réseau ne la demande pas. Par ailleurs la capacité de stockage, associée à une pile à combustible, permet si besoin d injecter de l énergie sur le réseau électrique. Les cycles thermochimiques de décomposition de l eau qui sont au stade de développement consistent en des séries de réactions chimiques utilisant une source de chaleur. La photolyse, d un principe analogue à l électrolyse, et la production par voie biologique à partir d algues ou de bactéries sont également en développement. Par ailleurs, l hydrogène est également coproduit dans divers procédés chimiques (hydrogène fatal), il peut être alors soit valorisé dans un procédé, soit brulé soit rejeté. Du fait de la multiplication des moyens de production, il est possible d envisager divers degrés de centralisation ou de décentralisation de la production. Par exemple : Production centralisée par vapo-réformage, décomposition thermochimique ou électrolyse associée à des centrales nucléaires ou parc éoliens off-shore. Production décentralisée basée sur la biomasse (gazéification ou vapo-réformage) ou électrolyse associée à une production d électricité renouvelable de petite ou moyenne puissance. Production d hydrogène: maturité des technologies. 8

10 Plusieurs technologies existent pour produire de l hydrogène décarboné. Les technologies actuellement les plus économiques (reformage et gazéification) verront leur coût augmenter dû à la fois à l enchérissement des combustibles fossiles et au surcoût de la séquestration. Evolution possible des coûts de production d hydrogène Source: «The role of Battery Electric Vehicles, Plug-in Hybrids and Fuel Cell Electric Vehicles», Mc Kinsey Le stockage, le transport et la distribution d hydrogène Pour être utilisé, l hydrogène doit être stocké, transporté et distribué. Le stockage peut se faire de trois façons : Le stockage cryogénique qui consiste à refroidir l hydrogène jusqu à son point de liquéfaction (- 253 C). cette solution est très énergivore. Le stockage sous pression qui réduit le volume de stockage mais implique une étape de compression (moins énergivore que le refroidissement). Les pressions vont de quelques dizaines de bars jusqu à 700 bars. Le stockage dit solide sous forme d hydrures métalliques qui permet de stocker l hydrogène à pression ambiante et de façon réversible par le jeu de la température. Pour le transport et la distribution, ils peuvent se faire via un réseau dédié dans le cas de sites de production massive reliés à des sites de grande consommation. Le réseau de gaz naturel peut par ailleurs contenir de l hydrogène jusqu à 20 % en volume mais ce qui implique une étape de séparation et de purification en aval. L infrastructure logistique dédiée composée de trailers transportant des containers reste cependant la solution la plus courante mais implique une réflexion vis-à-vis des émissions de gaz à effet de serre L hydrogène dans les transports La grande densité énergétique de l hydrogène en fait un vecteur énergie potentiellement bien adapté au transport. L hydrogène est désormais une option technologique possible pour le secteur automobile. 9

11 Source: «The role of Battery Electric Vehicles, Plug-in Hybrids and Fuel Cell Electric Vehicles», Mc Kinsey Argumentaire de l utilisation de l hydrogène dans les transports Les progrès technologiques et industriels ont à la fois permis d augmenter les rendements et la compétitivité des véhicules à pile à combustible. En particulier : La mise en œuvre de stockage 700 bars a permis d amener l autonomie au même niveau que celles des véhicules conventionnels. Des systèmes innovants permettent maintenant le démarrage par temps froid. La diminution importante des chargements en catalyseur a considérablement amélioré la compétitivité de la solution. Par ailleurs, des normes ont été adoptées pour l hydrogène et pour les équipements qui contribueront à la réduction des coûts. Ainsi suite à des démonstrations impliquant plus de 15 millions de km, les véhicules à pile à combustibles sont maintenant testés et l objectif est maintenant de passer de la démonstration à la production industrielle. L objectif d une production de plusieurs centaines de milliers de véhicules est aujourd hui fixé pour L étape suivante est le déploiement des infrastructures d approvisionnement et des initiatives telles que le partenariat public-privé H2Mobility. Perspectives émission CO 2 / autonomie pour les technologies batteries, hybrides et piles à combustibles. Source: «The role of Battery Electric Vehicles, Plug-in Hybrids and Fuel Cell Electric Vehicles», Mc Kinsey

12 Autobus et transports publics Le Multi Annual Implementation Plan (MAIP) de la FCH JTI envisage un important déploiement de bus alimentés à hydrogène à partir de Les bus pour le transport public pourraient représenter le moyen le plus efficace pour l adoption rapide de technologies de transport et de rencontres basées sur l hydrogène, pour les raisons suivantes : a) Les bus ont moins de restrictions en termes de poids, d espace et de coûts, par rapport aux autres véhicules transportant des passagers, ce qui fait de la production de bus, un segment efficace pour l adoption rapide de technologies. b) Les bus rentrent à la centrale tous les soirs pour se refournir en carburant, ce qui simplifie les infrastructures initiales à installer. c) Le déploiement de flottes de bus à Hydrogène porterait à la construction d infrastructures pour l approvisionnement avec des volumes d hydrogène importants. Ceci permettrait aux entreprises du secteur des infrastructures liées à l hydrogène de développer une chaine d approvisionnement fiable pour des volumes d hydrogène importants, une autre condition critique à la commercialisation. d) Les véhicules sont constamment en contact avec le public et donc permettrait d augmenter la conscience publique ainsi que l appréciation et l acceptation de la technologie. e) Les bus de transport public sont manœuvrés dans un environnement de haute qualité et sécurité par du personnel technique hautement qualifié, permettant de démontrer plus facilement l efficacité opérationnelle. Sur ces bases, suite aux premières importantes expérimentations réalisées en Europe depuis 2002, certains projets de démonstration, voyant la participation d industries constructrices d autobus, de sociétés de transport public et le financement de la part de régions, gouvernements nationaux et programmes européens, sont nés. Les principaux projets, soutenus par la plateforme JTI-FCH, ont l objectif de faire des avancées vers la commercialisation et proposent des target économiques et de prestations finalisés à une entrée sur le marché des premières flottes. Au niveau européen, les principaux industriels impliqués dans le développement de bus à pile à combustible sont: EVOBUS (Daimler), Van Hool, Wright Bus et APTS auxquels s ajoute l expérience d autres opérateurs à échelle plus locale et moins proche du produit. Au niveau géographique, les meilleures expériences sont réalisées en Allemagne, en particulier dans les régions de Hambourg, de Berlin et en Rhénanie du Nord - Westphalie, auxquelles s ajoutent les progrès rapides de Londres et des villes impliquées dans les projets de démonstration suivants : CHIC (plus de 50 autobus) avec comme fournisseurs EVOBUS, Van Hool et Wright Bus pour les villes de Oslo, Milano, Bolzano, San Gallo/Aarau et Londres HyV-locity (15 autobus) avec comme fournisseur Van Hool dans les villes de Sanremo, Oslo et dans la région des Flandres D autres zones actuellement impliquées dans des projets de démonstration sont localisées en Rhénanie du Nord - Westphalie (Cologne), et récemment, le projet de flotte d autobus à pile à combustible d Aberdeen (12 véhicules) est en cours de développement. Vehicules spéciaux Actuellement les véhicules à alimentation électrique sont considérés comme une réponse valide à la libre circulation et opérativité surtout en milieux fermés. En d autres termes, au moins pour le futur prévisible, ils représentent l unique solution permettant une opérativité avec absence d émission directe de polluants et donc en mesure de garantir la satisfaction des 11

13 réglementations de plus en plus strictes en termes de sauvegarde de la santé des opérateurs dans les milieux professionnels. Malgré cela, les véhicules à propulsion électrique présentent des limites liées au stockage et au transport d énergie à bord, qui en limitent l autonomie et la disponibilité des véhicules et donc leur diffusion à large échelle. Dans ce contexte, surtout quand les quantités d énergie deviennent importantes, la solution aujourd hui disponible, basée sur l utilisation d accumulateurs électrochimiques (batteries) ne peut être considérée que comme transitoire (bien que l unique actuellement praticable) et limitée à cause du poids, de l encombrement, des coûts et de la durée des batteries. La solution basée sur l utilisation d une pile à combustible alimentée à hydrogène, est aujourd hui considérée comme une des plus prometteuses pour dépasser lesdites limites. Elle permettrait d étendre le champ d application de la propulsion à émission zéro, favorisant dans le même temps, une utilisation efficace de l énergie Les infrastructures de distribution Si le déploiement des véhicules à pile à combustible a démarré dans plusieurs pays européens, les infrastructures de distribution doivent maintenant être adressées. Les coûts d infrastructure hydrogène sont considérés comme voisins à ceux d une infrastructure de recharge électrique (soit 1000 à 2000 /véhicule). L attractivité économique du véhicule à hydrogène est en passe d être prouvée, mais le problème de l infrastructure de distribution reste à évaluer. Une synchronisation étroite entre les divers éléments de la chaine de la valeur sera requise pour limiter le risque initial, accompagnée d une coordination gouvernementale et supportée par un contexte législatif et financier adapté. En effet, un taux d utilisation insuffisant des infrastructures dû à un nombre trop faible de véhicules pénalisera économiquement le déploiement du réseau de distribution. Source: «The role of Battery Electric Vehicles, Plug-in Hybrids and Fuel Cell Electric Vehicles», Mc Kinsey

14 Premières étapes du déploiement Les estimations du programme TEN-T, situent à 1500 Md le coût des infrastructures adaptées à la demande du transport et ce sur la période (500 Md jusqu en 2020) L Union Européenne supporte le déploiement du programme TEN-T à travers plusieurs types de financements: le Fond de Cohésion, le Fond de Développement Régional et la Banque Européenne d Investissement. Le déploiement de l infrastructure hydrogène pour le transport est pris en compte dans le CEF (Connecting Europ Facility) en même temps que les infrastructures énergie et numériques. Les principaux corridors identifiés concernent l Europe du Nord et le Royaume Uni. La stratégie globale vise d abord le déploiement d infrastructures locales pour passer progressivement à des interconnexions entre centres urbains Spécificités des technologies hydrogène La chaine de la valeur de l hydrogène mobilise à la fois les compétences d acteurs du domaine de l électricité et d acteurs du domaine de l industrie gazière pour la fabrication des composants, leur intégration et leur exploitation et maintenance. Les installations de production d hydrogène s apparentent à des centrales de production électrique et de position de chaleur avec les spécificités propres à l utilisation de l hydrogène. Le cœur d un électrolyseur d une pile est un empilement de membranes échangeuses de proton (polymères ou oxydes métalliques) encadrées d éléments conducteurs électriques et de plaques distribuant les gaz. L étanchéité de l ensemble vis à vis du combustible et de l oxygène doit être assurée à la température de fonctionnement. Les industries de la chimie, de la métallurgie et de la céramique sont donc sollicitées par les développeurs de «Stack». Autour de ces empilements sont intégrés des systèmes d alimentation gazière ainsi que des systèmes de régulation thermique et électrique. Il s agit de systèmes d électronique de puissance, de contrôle commande, d échangeurs thermiques, de dispositif de purification des gaz, etc Le coût d investissement d une pile à combustible qui est de 3000 à 5000 par kw dépend en particulier de la spécificité des équipements périphériques. Les équipements piles et électrolyseurs impliquent des études en amont par des intégrateurs pour satisfaire les spécifications de l exploitant, incluant l étude du stockage le mieux adapté, le raccordement au réseau électrique et aux réseaux de chaleur éventuels. Le coût de l exploitation d électrolyseurs ou de piles à combustible dépend essentiellement du coût de l électricité ou du coût du combustible, hydrogène ou hydrocarbure Contexte réglementaire La réglementation actuelle a été bâtie autour des usages traditionnels de l hydrogène dans l industrie chimique. Il s agit donc d une réglementation encore ciblée pour des applications de grande taille. En France, l hydrogène relève également de la réglementation générale sur les produits inflammables et explosifs. Situation française Le code de l environnement soumet toute installation de production d hydrogène au régime des «Installations Classées pour la Protection de l Environnement (ICPE)» ce qui est dû au fait que jusqu à une date récente, la production d hydrogène était assurée par des unités de réformage spécifiques reliées à des unités de chimie lourde ou de pétrochimie. La réglementation concernant le stockage diffère suivant les quantités stockées, moins de

15 kg, pas de déclaration, de 100 kg à 1 tonne, déclaration simple, pour plus d une tonne, demande d autorisation. Des évolutions réglementaires sont à l étude pour traiter les nouveaux usages et en particulier ceux liés à la production décentralisée (petit reformage ou petits électrolyseurs). En ce qui concerne plus précisément les véhicules, tout véhicule doit être soumis à une homologation. En France, les véhicules ont évolué jusque-là dans des lieux privés et la première homologation a eu lieu en décembre Situation italienne Aujourd hui, la réglementation en vigueur en Italie repose sur les décrets suivants: Décret Ministériel du 16 février 1982 concernant la détermination des activités sujettes aux visites de prévention incendie. Décret Ministériel du 24 novembre 1984 concernant les normes de sécurité anti-incendie pour le transport, la distribution, l accumulation et l utilisation du gaz naturel avec une densité non supérieure à 0,8. Décret Ministériel du 31 août 2006, concernant l approbation de la réglementation technique de prévention incendie pour la conception, construction et fonctionnement des installations de distribution d hydrogène pour auto-traction. En 2009, un projet de loi (Boffa-Alfano) a été présenté à la Commission des Transports de la Chambre des Députés. La proposition de loi, actuellement en cours d étude, a pour objectif de promouvoir des interventions de filière pour l étude et la réalisation: de systèmes pour la production, le stockage et la distribution d hydrogène produit à partir d énergie solaire ou d autres sources d énergies renouvelables; de systèmes pour la production, le stockage et la distribution de combustibles ultra-propres de nouvelle génération d origine biologique; de prototypes de véhicules alimentés à hydrogène ou à combustibles ultra-propres de nouvelle génération d origine biologique et des procédures d homologation associées de réseaux de monitoring du contrôle de l efficacité et de la sécurité des vehicules. d emplacements exclusifs pour les vehicules munis de stations de contrôle et de recharge. Avec le Décret du 31 août 2006, apparaissent en Italie, les premières normes destinées à réglementer la prévention des incendies, la sauvegarde des personnes, la tutelle des biens, la construction et le fonctionnement des installations de distribution d hydrogène pour autotraction, qui se focalisent cependant sur les emplacements exclus pour ces installations. Depuis 2006 aucune mise à jour ni intégration n ont été réalisées sur ce thème. Procédure pour l obtention de l homologation suite à test à exemplaire unique de véhicules à pile à combustible fonctionnant à hydrogène. Ce type de procédure est celui qui est la plus adapté pour les véhicules prototypes ou qui ne sont pas encore en production de masse. Afin d être considéré apte à la circulation routière, chaque véhicule doit être soumis à visite et test - un ensemble de contrôles techniques et documentaires que l autorité (ou l organe compétent) doit réaliser pour garantir la sécurité lors de l utilisation du véhicule par le Ministère des Infrastructures et des Transports (Département des Transports Terrestres Centre de test véhicules automobiles) ou par un organisme certificateur de l Union européenne, comme par exemple le Tüv. L homologation permet au constructeur de réaliser une série de véhicules automobiles identiques au prototype testé; chaque exemplaire produit pourra donc être immatriculé directement avec les documents fournis par l entreprise. 14

16 L entreprise, qui a l intention d homologuer un véhicule, devra produire lors de l acte de la demande, entre autres choses, un rapport technique très détaillé sur la vérification conceptuelle de la conversion du véhicule original à véhicule fonctionnant avec pile à combustible à hydrogène, dans lequel seront décris, le véhicule de départ (caractéristiques, dimensions, poids, ), les systèmes et les composantes ajoutées au véhicule de base (pile à combustible et relatifs auxiliaires), traction électrique et batterie de traction, la conception des modifications et la transformation du véhicule selon le projet et le système de contrôle du système global. Ce rapport devra contenir toutes les modifications effectuées au véhicule original, de manière à pouvoir évaluer les tests et vérifications qu il sera nécessaire d effectuer pour obtenir l homologation du véhicule Les forces en présence Bien que la Pile à Combustible ne soit qu une partie de la problématique hydrogène énergie, la vision des forces en présence au niveau mondial est instructive en particulier sur la réaction visà-vis des incitations des états ou celles résultant des partenariats public-privé. Le Japon et les USA sont les acteurs majeurs dans le développement des piles à combustible et ils sont suivis par l Europe, elle-même bientôt talonnée par la Chine et la Corée. Au Japon, des piles à combustibles pour le résidentiel sont commercialisées depuis 2009 et plus de 5000 unités ont été mises en œuvre à travers un mécanisme de soutien de 75M$. Des démonstrations de «villes-hydrogène» ont été lancées et l état ainsi que les acteurs industriels de l énergie supportent l implantation de stations-service hydrogène. Les États-Unis sont aujourd hui leader du domaine des engins de manutention hydrogène suite à des incitations ayant conduit à une part de marché de 2%. Le DoE a financé à hauteur de 170 M$ le développement, la démonstration et la commercialisation des piles à combustibles. Les états interviennent également par des incitations concernant les stations de distribution. La Chine a investi jusqu à aujourd hui 2,8 Md$ dans la R&D sur pile à combustible et infrastructures avec une attention particulière sur la production d hydrogène. La Corée du Sud annonce des programmes de soutien à la cogénération avec pile à combustible: le plan stratégique de la ville de Seoul prévoit 47% de production d énergie par des piles à combustible en Investissements dans les technologies piles à combustibles. 15

17 Les marchés. Le marché historiquement tiré par l hydrogène industriel est d environ 40 Md d euros. Sa croissance annuelle est de l ordre de 10% en raison des normes sur les carburants et de l augmentation de production des biocarburants. Le marché des piles à combustible est maintenant en phase commerciale sur les applications stationnaires. Les nombreuses applications de l hydrogène laissent entrevoir plusieurs autres marchés à moyen long terme. Marchés Hydrogène sans CO 2 pour l industrie CA annuel potentiel mondial Equilibre réseau utilisation H 2 vert Piles à combustible stationnaires Piles à combustible mobiles et nomades 100 G G 10 G G 100 G Piles à combustible marchés automobiles Echéance 5 à 10 ans 5 à 10 ans Immédiat Démarrage 5 à 15 ans Source : estimations en 2010 de la plateforme HyPAC 2010 global shipments market forecast Stationary - PEMFC Stationary - MCFC, AFC, SOFC off-grid power generation (telecomunications); micro-chp for domestic and commercial (hotels, hospitals); prime power; back-up power Large-scale power generation + CHP units (45%), of which more than (domestic) in Japan 63 MW, of which more than 20 MW in South Korea USD 9.5 billion (2007) Portable PEMFC, DMFC remote monitoring units; external battery rechargers; consumer electronics (laptops, smartphones), military 22% of units Very low MW USD 2.8 billion (2017) Transport PEMFC Transport SOFC LDV, buses, materials handling, unmanned aerial vehicles APU (trucks, reacreational vehicles) 33% uf units 27 MW LDV (2020) Total 90 MW; units Deux projections des marchés des technologies hydrogène. Source: PikeResearch, 2011; FuelCellToday,

18 3. Journées Collaboratives Tenerrdis Hydrogène : les messages clef 3.1. L économie de l hydrogène La croissance démographique et le développement de l activité humaine montre clairement que la demande en énergie va augmenter. Tendances du besoin en énergie Face à ce constat, le mix énergétique actuel n est pas adapté à une vision long terme car : Il repose sur des ressources fossiles par définition finies. Il a un impact environnemental fort car trop carboné (1/3 de la production mondiale d électricité est décarboné. Enfin les technologies durables doivent également être analysées en terme de recyclage des matériaux, de l énergie grise, des déchets, etc.. ; Challenges d un futur mix énérgétique. 17

19 Les énergies renouvelables constituent un des éléments de réponse à la problématique car leur développement agira sur les émissions de CO 2 en diminuant l exposition à la volatilité des prix des énergies fossiles. Dans ce sens les énergies renouvelables sont aussi un facteur de développement économique. Le potentiel des énergies renouvelables. L hydrogène fait partie du mix énergétique de l avenir car il peut intervenir dans le domaine de l énergie comme outil d adaptation de l offre à la demande, au niveau de l habitat et au niveau des transports ainsi qu au niveau industriel qui en est le principal consommateur aujourd hui. Tous des domaines majeurs des émissions de CO 2 sont donc concernés. Pour cela, la filière hydrogène doit être développée dans le sens d une amélioration de l efficacité (au sens large, production, conversion) et dans le sens de sa production à partir de source décarbonées. La filière hydrogène fait aujourd hui l objet d activité de développement et de démonstration croissantes comme en témoignent son caractère de filière clef dans les pôles de compétitivité adressant les énergies renouvelables. Les questions portent aujourd hui sur les actions à mettre en place pour stimuler la filière, vers quels marchés et avec quels mécanismes. Les pouvoirs publics français et les associations professionnelles ont identifié des champs d actions et mis en place des premiers outils à travers par exemple les investissements d avenir. Mais, d ores et déjà, les questions de business model, de structuration de la filière et de l agrégation des compétences autour de celle-ci doivent être posées pour préfigurer les futurs déploiements industriels et commerciaux. La vision d un investisseur. Les Venture Capital investissent dans l hydrogène car plusieurs paramètres convergent : Une population mondiale grandissante, donc un besoin d énergie qui augmente. L accident de Fukujima et l arrêt du nucléaire en Allemagne qui mettent en avant le besoin d un mix énergétique décarboné. La diminution des ressources fossiles et surtout l augmentation de leur prix. C est le moment d investir dans l hydrogène car : le marché est en décollage ( unités de PAC vendues en 2010 Taux de croissance de 115% entre 2011 et Marché de 1,6 Mds en 2016). 18

20 De nombreux acteurs sont en croissance et préfigurent la chaine de la valeur : (Ballard, Hydrogenix, Proton, Plugpower, McPhy, CETH, Acal Energy, Air Products, Air Liquide, Linde). On arrive à la phase d industrialisation qui est le plus gros challenge. Enfin plusieurs segments de marché existent, groupes de secours, sites isolés, stockage des ENR, mobilité, cogénération et stationnaire,. Les divers segments de marché de l hydrogène L hydrogène vecteur de stockage et de service au réseau Le couplage de l hydrogène au réseau d énergie peut se faire par deux approches : En mode stockage / déstockage. En diluant l hydrogène dans le gaz naturel et en utilisant son réseau de transport. La première approche n a pas encore trouvé son modèle économique ni une chaine de la valeur avérée. L hydrogène a du mal à trouver sa place comme moyen de stockage de l énergie parmi les multiples systèmes de stockage d énergie, et ce, malgré l expérience de l hydrogène industriel. L économie du stockage électrique Toutefois, il existe des signaux positifs : les réalisations d Hydrogenics en Amérique du Nord avec un modèle économique qui fonctionne. 19

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