Piles à Hydrogène : RAPPORT. a les perspectives pour demain. Novembre

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1 RAPPORT Service Développement durable Grenelle et partenariats Piles à Hydrogène : a les perspectives pour demain Novembre

2 Directeur de la publication : Philippe LEDENVIC Chef de projet : Thierry CHEYNEL Dépôt légal : novembre 2012 Numéro ISBN : Imprimé en exemplaires par CHAUMEIL (Lyon 6 ème ) en novembre 2012

3 Piles à Hydrogène : les perspectives pour demain novembre SYNTHESE Une pile à hydrogène permet de générer en tout lieu de l'électricité et de la chaleur de façon propre 1 et silencieuse en ne rejetant que de l'eau. Les piles à hydrogène répondent à deux enjeux énergétiques : Réduire la consommation d énergies fossiles, en se substituant aux moteurs thermiques traditionnels. Soutenir le développement des énergies renouvelables, en utilisant l'hydrogène décarboné qui peut être produit à partir de ces dernières. Les usages des piles à hydrogène sont nombreux et sont en train de devenir une réalité commerciale à l étranger : États-Unis, Canada, Japon, Allemagne. Le véhicule électrique est l'un des domaines d application à fort potentiel. Les piles à hydrogène peuvent offrir aux véhicules électriques une autonomie équivalente à celle des véhicules thermiques (600 km et plus) tout en réduisant la consommation d énergie primaire d au moins 20% du puits à la roue. Les usages stationnaires offrent aussi de belles perspectives : les piles à hydrogène peuvent être utilisées pour soutenir les réseaux électriques insulaires ou locaux, autonomiser les sites isolés, chauffer des bâtiments par cogénération... Les piles peuvent également s'adapter aux appareils nomades et leur apporter une autonomie sans commune mesure avec les solutions actuelles de type batterie chimique, et une recharge quasi instantanée. En France, des entreprises sont engagées dans des projets ambitieux et innovants. La région Rhône-Alpes est riche d'un tissu d'entreprises de toute taille qui animent la filière, appuyées par des équipes de recherche à la pointe. Ces acteurs, organisés autour du pôle de compétitivité TENERRDIS, maîtrisent un grand nombre de briques technologiques. Les industriels et les acteurs publics nationaux, régionaux et locaux ont un rôle à jouer pour soutenir et accélérer le développement des usages des piles à hydrogène en France. Ce faisant, ils répondent à l objectif d évolution vers une société sobre et moins émettrice de carbone, tout en participant au développement d une économie verte 2. 1 Les solutions de production de l'hydrogène par électrolyse de l'eau, par gazéification de biomasse ou par recyclage d'hydrogène fatal (sous-produit de l'industrie du chlore ou de la fabrication du coke) constituent une filière «verte». 2 Conformément à la Stratégie Nationale de Développement Durable.

4 4 Piles à Hydrogène : les perspectives pour demain novembre 2012

5 Piles à Hydrogène : les perspectives pour demain novembre SOMMAIRE LES USAGES DES PILES A HYDROGENE 7 UNE REALITE COMMERCIALE QUI S INSTALLE 7 ET LA FRANCE? 9 POURQUOI INVESTIR DANS CETTE TECHNOLOGIE? 11 LES ENJEUX INDUSTRIELS DES PILES A HYDROGENE 12 DES OPPORTUNITES A SAISIR POUR LES INDUSTRIELS FRANÇAIS 12 DES RISQUES CONNUS ET MAITRISES 14 UNE FILIERE INDUSTRIELLE FRANÇAISE EN CONSTRUCTION ET PARTICULIEREMENT INNOVANTE 15 DES VERROUS A LEVER POUR MULTIPLIER LES USAGES EN FRANCE 17 LES ACTIONS A MENER POUR RENDRE POSSIBLES LES USAGES DES PILES A HYDROGENE EN FRANCE 18 ACTEURS INDUSTRIELS 18 ACTEURS PUBLICS 19 COMMENT CA MARCHE? 20 REMERCIEMENTS 21

6 6 Piles à Hydrogène : les perspectives pour demain novembre 2012

7 Piles à Hydrogène : les perspectives pour demain novembre Les usages des piles à hydrogène Des solutions piles à hydrogène sont déjà commercialisées ; elles répondent à des besoins d autonomie et de flexibilité. En France, les premiers marchés devraient décoller d ici Industriels et acteurs publics ont un rôle à jouer pour accélérer le développement des usages. UNE REALITE COMMERCIALE QUI S INSTALLE Quelques leaders industriels émergent au niveau mondial

8 8 Piles à Hydrogène : les perspectives pour demain novembre 2012 et des entreprises se positionnent sur tous les usages des piles à hydrogène.

9 Piles à Hydrogène : les perspectives pour demain novembre ET LA FRANCE? Des marchés émergent, tirant profit des résultats de recherche des équipes françaises.

10 10 Piles à Hydrogène : les perspectives pour demain novembre 2012 En France, les usages sont à différents niveaux de maturité. Les acteurs industriels et publics ont un rôle à jouer pour accélérer leur développement, notamment : - l industrialisation des composants (piles à combustibles, stockage, unités de production locale ) et des services associés (maintenance, logistique), - l effet de nombre et de densité clients apporté par le décollage des marchés. Les premiers usages des piles à hydrogène vont d ores et déjà décoller d ici 2015, dans la perspective d un marché mature en 2025.

11 Piles à Hydrogène : les perspectives pour demain novembre POURQUOI INVESTIR DANS CETTE TECHNOLOGIE? Flexibles et propres, les piles à hydrogène participent à l électrification des usages. Les piles à hydrogènes représentent une source d énergie flexible, car complémentaire à l électricité, et propre, lorsque l hydrogène est produit à partir d électricité renouvelable. Elles sont une solution pour l électrification des usages qui a commencé avec le déploiement des batteries. Les piles à hydrogène ont donc leur place dans la transition énergétique de la France. Dans le contexte actuel du développement des batteries électriques pour de nombreux usages (voiture, téléphone portable ), les piles à hydrogène sont une solution complémentaire qui permettra particulièrement : - D augmenter l autonomie des produits, aujourd hui limitée par les performances des batteries. Les véhicules électriques à batterie lithium ont une autonomie pratique de km, leurs homologues pile à hydrogène peuvent atteindre km. Elles rendent donc le même service que les véhicules thermiques, - De gagner en productivité et en flexibilité. Un plein hydrogène est plus facile et plus rapide qu un échange de batteries, le contrôle de l autonomie est plus simple

12 12 Piles à Hydrogène : les perspectives pour demain novembre 2012 Les enjeux industriels des piles à hydrogène Le développement des usages des piles à hydrogène participera au déploiement d une économie verte grâce aux solutions de remplacement pour les produits fonctionnant avec les énergies fossiles. Les piles à hydrogènes représentent également une nouvelle opportunité économique à travers de nouveaux modèles d affaire pour optimiser la création de valeur des énergies renouvelables. DES OPPORTUNITES A SAISIR POUR LES INDUSTRIELS FRANÇAIS Il existe d ores et déjà des cas d application où les piles à hydrogène apportent des bénéfices opérationnels. Les scénarios actuels envisagent des usages matures des piles à hydrogène notamment dans le transport et la gestion énergétique des bâtiments (chaleur, froid et électricité) dans les années Pour que ces usages se développent, il est urgent de commencer dès maintenant à construire les capacités industrielles, les compétences et à développer les infrastructures nécessaires. C est la phase d industrialisation que la France ne doit pas manquer, sous peine de devoir plus tard importer les équipements critiques : piles à combustible, systèmes de stockage, stations de remplissage. 3 Voir rapport du Ministère de l Industrie «Étude Technologies clés 2015»

13 Piles à Hydrogène : les perspectives pour demain novembre MARCHES Les marchés sur lesquels les piles à hydrogène prendront place sont de l ordre de la dizaine de milliards d euros de chiffre d affaires annuels : - En ce qui concerne le marché des transports, 60 millions de véhicules individuels de tous types ont été vendus en 2010 dans le monde, dont 16 millions en Europe 4. Les véhicules à pile à hydrogène vont s insérer sur ce marché en complémentarité des véhicules électriques à batterie pour les trajets interurbains, - Au niveau mondial, le stockage d énergie représente un marché potentiel de l ordre de 50 milliards d euros par an 5. AVANTAGES CONCURRENTIELS Une solution utilisant les piles à hydrogène peut avoir un avantage concurrentiel fort : - Dans le transport, l autonomie des véhicules électriques est un facteur clé de succès. Les performances des batteries au lithium plafonnent. Les véhicules à pile à hydrogène permettront d atteindre des capacités jusqu à 5 fois supérieures (à poids égal) 6, - C'est une solution qui apporterait de la souplesse aux réseaux électriques pour garantir à chaque instant, l équilibre entre l offre et la demande : la croissance sans cesse grandissante de la puissance appelée en période de pointe de consommation rend nécessaire le développement de nouvelles capacités de stockage de l'électricité. L hydrogène associé à une pile à combustible, qui est une solution flexible, peut participer à cette régulation, - C est une solution qui peut être adaptée pour pallier l intermittence de production des énergies renouvelables. Pendant les pics de production ou les creux de consommation, le surplus d électricité pourrait être stocké pour être utilisé aux moments opportuns. FAISABILITE La faisabilité de l utilisation des piles à hydrogène dépend des usages : - Soutien au réseau : ce marché se développe quand, sur un territoire, la part des énergies intermittentes devient importante (environ 20% de la capacité installée, ce qui est le cas dans les îles). Les coûts des piles à combustible ne sont pas encore suffisamment bas pour être compétitifs sur des usages de très grande puissance (100 kw), - Véhicule individuel : les marchés de présérie vont se développer à partir de dans les territoires où une infrastructure aura été prévue et mise en place. Le cadre réglementaire devra également être adapté. Enfin, les avantages et inconvénients de cette solution restent à faire connaître au grand public, - Batteries pour les appareils portatifs : la miniaturisation des piles à combustible et du stockage d hydrogène est le verrou à lever pour cet usage. Il faudra aussi mettre en place une infrastructure spécifique de distribution de petites quantités d hydrogène (au format cartouches). Enfin, des normes de sécurité devront être établies pour ces usages nomades. 4 Source : CCFA (Comité des Constructeurs Français d Automobile) 5 Source : Ministère de l écologie, du développement durable et de l énergie, «Pétrole, gaz, énergies décarbonées : rapport sur l industrie en 2011» 6 Source : US Department Of Energy 2009

14 14 Piles à Hydrogène : les perspectives pour demain novembre 2012 DES RISQUES CONNUS ET MAITRISES L'hydrogène est un gaz inflammable, utilisé aujourd'hui couramment dans l'industrie comme le gaz naturel. Néanmoins, des différences existent et doivent être prises en compte à travers des dispositifs de sécurité spécifiques. L hydrogène est le plus léger des gaz, ce qui est un facteur positif vis-à-vis de la sécurité car il diffuse rapidement dans l air. Utilisé dans des locaux ventilés, il s avère moins dangereux que le gaz naturel. Le stockage et le transport d hydrogène se font généralement par des bouteilles de gaz sous pression. Les réservoirs, utilisés par exemple dans les véhicules, sont conçus pour résister à la fois aux contraintes de pression internes (700 bars), mais aussi aux avaries externes (chute, résistance au feu ) dans le cadre de normes et de réglementations internationales strictes. De plus, le stockage de l hydrogène sous forme solide (hydrures) est en cours de commercialisation ; il présente des avantages indéniables en termes de sécurité. Des dispositifs de sécurité appropriés aux nouvelles applications des piles à hydrogène sont en cours de développement et évalués par les pouvoirs publics. Le développement de consignes de sécurité adaptées et la formation des équipes à la conception et à la maintenance des systèmes seront mis en œuvre pour garantir la sécurité des usagers. 7 7 Source : Réglementat Hy on «Pourquoi une réglementation adaptée à l hydrogène énergie?»

15 Piles à Hydrogène : les perspectives pour demain novembre UNE FILIERE INDUSTRIELLE FRANÇAISE EN CONSTRUCTION ET PARTICULIEREMENT INNOVANTE Les initiatives aujourd hui en cours participent à la construction d une filière pile à hydrogène. Des premiers produits en développement. Quelques initiatives de grands groupes ressortent à travers leurs publications. La France dispose également de jeunes sociétés innovantes dans le domaine, notamment en Rhône Alpes.

16 16 Piles à Hydrogène : les perspectives pour demain novembre 2012 Des projets collaboratifs de démonstration et de développement industriel. L Etat soutient des projets dans le cadre des «Investissements d'avenir» (Appels à Manifestations d Intérêt de l'ademe), des appels à projets du «Fonds Unique Interministériel» (pôles de compétitivité), et du programme «Innovation Stratégique Industrielle» (OSEO). A titre d'exemples, on peut citer les AMI ADEME «Hydrogène et pile à combustible» et «Véhicules routiers à hydrogène», ainsi que le programme OSEO «Horizon Hydrogène Energie». L Europe est également un partenaire de poids pour les industriels et les collectivités :

17 Piles à Hydrogène : les perspectives pour demain novembre DES VERROUS A LEVER POUR MULTIPLIER LES USAGES EN FRANCE Des verrous bloquent encore la substitution des technologies existantes par les technologies piles à hydrogène ; ils doivent être levés rapidement sous peine de manquer le virage des piles à hydrogène et de dépendre de technologies étrangères. Partager la vision entre industriels et pouvoirs publics En complément de la feuille de route de l ADEME diffusée en avril 2011, les décideurs politiques et administrations doivent rapidement se positionner en cohérence avec les attentes des acteurs de la filière, au risque sinon de ralentir le déploiement des piles à hydrogène et de creuser le retard de la France vis-à-vis du reste du monde. Accélérer les efforts d adaptation de la réglementation La réglementation, les normes et les mesures de sécurité applicables à l utilisation de l hydrogène en France demeurent mal adaptées à la filière émergente des piles à hydrogène. Par exemple : - La production et le stockage d hydrogène sont soumis à la réglementation des Installations Classées pour la Protection de l Environnement (ICPE). Il s agit d une procédure d autorisation, longue et complexe. - Les assureurs sont réticents à accorder des garanties en l absence d un cadre normatif ou de règles de sécurité de référence pour les usages de l hydrogène et des piles à combustible. Un risque insuffisamment qualifié conduit les assureurs à le surévaluer, il faut donc les impliquer en amont dans les projets. L'ensemble des parties prenantes (AFHYPAC, AFNOR, INERIS, ADEME, DGPR 8 ) ont entamé depuis 2010 un travail technique conjoint pour proposer des adaptations aux réglementations existantes, afin de lever ce frein tout en garantissant des niveaux de sécurité adaptés aux différents usages des piles à hydrogène. Former les acteurs de l installation et de la maintenance aux règles de sécurité hydrogène sera également indispensable. Développer le réseau des stations de distribution en concertation avec les acteurs des territoires Le déploiement d une infrastructure de fourniture d hydrogène est indispensable pour soutenir le développement des usages. Pour sortir de l attentisme entre le déploiement des infrastructures et le développement des usages, notamment les véhicules, la concertation entre les acteurs du territoire et les industriels est nécessaire 9. En revanche, les citoyens sont en attente de ces nouveaux usages 10. Il est cependant recommandé que les porteurs de projet consultent les parties prenantes locales pour éviter d éventuels retards. 8 AFHYPAC : Association Française de l Hydrogène et des Piles à Combustible, AFNOR : Association Française de NORmalisation, INERIS : Institut National de l Environnement et des RISques, ADEME : Agence de l'environnement et de la Maîtrise de l'energie, DGRP : Direction Générale de la Prévention des Risques 9 Une étude prospective du besoin d infrastructures hydrogène à l initiative de l ADEME et de l AFHYPAC est en réflexion 10 Source : étude d acceptation par le public des véhicules à hydrogène du projet HYTRUST, menée en 2010 en Allemagne

18 18 Piles à Hydrogène : les perspectives pour demain novembre 2012 Les actions à mener pour rendre possibles les usages des piles à hydrogène en France Les acteurs industriels et publics ont un rôle à jouer pour soutenir et accélérer le développement des usages des piles à hydrogène en France, et pour valoriser cette énergie flexible et propre. ACTEURS INDUSTRIELS 5 axes de soutien au développement des usages des piles à hydrogène sont accessibles aux acteurs industriels (grands groupes industriels, PME et entreprises innovantes). Développer des offres de distribution adaptées. Les usages des piles à hydrogène nécessitent un réseau de distribution adapté aux petites ou moyennes quantités (stations-service pour le transport, ravitaillement des générateurs sur les sites isolés, cartouches d hydrogène pour les usages nomades ) pour des clients nombreux et dispersés. Baisser les coûts de fabrication des produits par l industrialisation. La commercialisation de produits implique la mise en place de chaînes de production capables d assurer la reproductibilité des performances des électrolyseurs, des piles à combustible et de leurs périphériques. Il convient aussi d abaisser leurs coûts de commercialisation par la fabrication en série. Ces recommandations sont aussi valables pour les solutions de stockage et de distribution d hydrogène. Intégrer les piles à hydrogène dans les produits finis. Optimiser le fonctionnement de la pile à hydrogène avec les besoins en énergie du produit fini : véhicule, chaudière, générateur, appareil nomade. Accélérer les travaux avec les acteurs de la réglementation et de la normalisation sur les problématiques identifiées (Ministères, AFNOR, AFHYPAC, OPECST 11 ). L adaptation rapide des réglementations existantes et la création de normes et de règles pour les usages des piles à hydrogène ne pourront se faire que si les problèmes rencontrés par les acteurs industriels sont communiqués aux services de l Etat en amont des projets. Développer et valider les modèles économiques pour le soutien au réseau et la valorisation des énergies renouvelables. Les investissements sur les moyens de stockage ont été faits mais sont utilisés pour l'optimisation des parcs de production. Le stockage d'énergie a aujourd hui peu de valeur, la pénétration des énergies renouvelables va en augmenter le besoin. 11 AFNOR : Association Française de NORmalisation, AFHYPAC : Association Française de l Hydrogène et des Piles A Combustible, OPECST : Office Parlementaire d'evaluation des Choix Scientifiques et Technologiques

19 Piles à Hydrogène : les perspectives pour demain novembre ACTEURS PUBLICS Les acteurs nationaux, régionaux et locaux peuvent activement participer à la création d un environnement favorable au développement des usages des piles à hydrogène. Etre les premiers clients. Quand cela est possible, être les clients précurseurs pour initier le déploiement de ces usages : outils de démonstration pour renforcer la formation et les savoir-faire, cogénération pour alimenter et chauffer les bâtiments publics, utilisation de véhicules à hydrogène pour le transport public et les véhicules partagés. Soutenir le déploiement d infrastructures et organiser la concertation. Les projets d infrastructures (petites et moyennes quantités) adaptées aux nouveaux usages des piles à hydrogène peuvent être soutenus : projets de déploiement de stations-services hydrogène, projets de production et de stockage d hydrogène sur les parcs d énergie renouvelable. Permettre l évolution rapide de la réglementation et des processus d homologation. Etre moteur pour faire évoluer la réglementation applicable à ces nouveaux usages, et faire référence aux normes de certification dans les textes réglementaires, permettra d accélérer et de faciliter la commercialisation en France des solutions piles à hydrogène. Promouvoir les offres de formation adaptées. Pour contribuer au développement des usages, les acteurs publics doivent promouvoir des modules de formation centrés sur les piles à hydrogène au sein des structures existantes. Evaluer en quoi les piles à hydrogène sont utiles à chacun de nos territoires. Chaque territoire a des besoins énergétiques spécifiques (industrie, agriculture, tertiaire), une infrastructure propre et des ressources énergétiques locales potentiellement exploitables. Les collectivités peuvent examiner notamment à travers leurs PCET (Plans Climat-Energie Territoriaux) ou agendas 21 lorsqu ils existent en quoi les piles à hydrogène sont utiles par rapport à leurs ambitions : développer les énergies renouvelables, favoriser la mobilité hydrogène, soutenir une filière «piles à hydrogène». Au-delà de ces recommandations, communiquer sur l intérêt des piles à hydrogène et sur leurs perspectives permettra d accélérer le développement de ces nouveaux usages, d asseoir la crédibilité de cette filière en France et de participer activement à la mise en œuvre de la transition énergétique.

20 20 Piles à Hydrogène : les perspectives pour demain novembre 2012 COMMENT CA MARCHE?

21 Piles à Hydrogène : les perspectives pour demain novembre REMERCIEMENTS La rédaction de ce document a été coordonnée par : - Thierry CHEYNEL et David PIGOT (DREAL Rhône-Alpes - service DDGP) - Capucine ROUX et Isabella DE MAGNY (Société ALCIMED) Assistés d'un Comité de pilotage composé de : - Axel STRANG (Ministère de l'écologie, du Développement durable et de l'énergie - direction générale de l'énergie et du climat) - Carole CHRISTOPHE (DIRECCTE Rhône-Alpes) - Marianne JULIEN (Association Française de l'hydrogène et des Piles à Combustible) - Ingrid MILCENT et Pierre JULIET (Pôle de compétitivité TENERRDIS) Remerciements au Conseil Régional Rhône-Alpes pour son apport.

22 Direction régionale de l'environnement de l'aménagement et du Logement RHÔNE-ALPES 5, place Jules Ferry Lyon Adresse postale : Lyon cedex 06 Tél : 33 (04)