Exercice Feuille de Route Hydrogène et Piles à Combustible

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1 Exercice Feuille de Route Hydrogène et Piles à Combustible Rapport HINICIO pour l ADEME NOTE DE SYNTHESE Version finale 4 Novembre 2010 Auteurs : Patrick Maio, Jean-Christophe Lanoix et Perrine Tisserand HINICIO, 44 rue des Palais, B-1030 Bruxelles Contact : info@hinicio.com Téléphone HINICIO Paris:

2 TABLE DES MATIERES: REMERCIEMENTS 3 LES 10 POINTS CLEFS A RETENIR 4 1. POURQUOI L HYDROGENE COMME VECTEUR D ENERGIE? 5 2. EMERGENCE D UNE FILIERE HYDROGENE EN FRANCE : PERTINENCE, OPPORTUNITES, VERROUS ET FACTEURS CLEFS 9 3. VISIONS EXTREMES DU SYSTEME ENERGETIQUE FRANÇAIS A L HORIZON 2050 : QUELLE PLACE POUR L HYDROGENE A LONG TERME? EMERGENCE D UNE VISION DE L HYDROGENE EN FRANCE A L HORIZON LA FEUILLE DE ROUTE HYDROGENE FRANCE MISE EN ŒUVRE ET PILOTAGE : PROPOSITION DE PLAN DE DEVELOPPEMENT CONCLUSIONS ET RECOMMANDATIONS FINALES 28 Note importante : ce document représente une synthèse de l étude complète réalisée entre avril et novembre Nous invitons le lecteur intéressé à prendre connaissance du rapport complet transmis aux services de l ADEME le 4 novembre 2010, afin d obtenir l ensemble des éléments d analyse, sources, évaluations et éléments méthodologiques. Document rédigé par HINICIO page 2

3 Remerciements L équipe d Hinicio tient à remercier les services de l ADEME et en particulier Karine Filmon (Animatrice Recherche - Production et Energies Durables), Daniel Clément (Directeur Scientifique Adjoint), Michel Gioria (animateur de secteur du service recherche et technologies avancées), Loïc Antoine (Ingénieur R&D Pile à Combustible & Hydrogène) et Luc Bodineau (Animateur Hydrogène et Piles à Combustible), ainsi que le groupe d experts composé des personnalités suivantes : Noms Pierre Beuzit et Michel Junker Paul Lucchèse et Alain Le Duigou Pascal Moran et Eric Gernot Jean-Marc Pastor Matthias Altman Franck Masset Hélène Pierre et Stéphane Hody Axel Strang Marianne Julien Patrick Bouchard Alexandre Lima Frédéric Meslin Hugo Vandenborre Bernard Frois Jérôme Biasotto Claude Derive Marc Aubrée Claude Lamy Bernard Declerck Michel Jehan Philippe Mulard et Daniel Le Breton Didier Grouset et Samuel Lucoq Florent Petit Alexandre Rojey Cécile Barbier Organisations Alphéa CEA CETH Sénateur du Tarn, Président de l association PHYRENEES Ludwig-Bölkow-Systemtechnik GmbH (LBST, Allemagne) PSA Peugeot Citroën GDF-Suez MEEDDM / DGEC Air Liquide Hélion (Aréva) Véolia Environnement Mission Hydrogène Pays de Loire V-Energy (Belgique) ANR-NTE Conseil Régional de Rhône-Alpes AFH2 France Telecom CNRS / Université de Poitier EDF McPhy Energy Total N-Ghy UTBM UTT Document rédigé par HINICIO page 3

4 Les 10 points clefs à retenir : 1. Les technologies hydrogène et piles à combustible offrent potentiellement des réponses pertinentes aux enjeux du Grenelle de l Environnement et aux objectifs européens « ». 2. L hydrogène est un vecteur énergétique à fort potentiel à moyen terme avec de nombreux champs d applications possibles : cogénération, applications embarquées, stockage d énergies intermittentes, transports, etc. Il ne peut être ignoré en France, où son potentiel doit être évalué dans un contexte international. 3. Peu de technologies offrent encore autant de perspectives d innovation et de croissance internationale durable pour l industrie et la science dans les nouvelles énergies : la filière hydrogène est en devenir et la France peut encore prétendre à prendre une place importante sur la scène internationale. 4. La pénétration des énergies renouvelables intermittentes à grande échelle amène une nouvelle problématique auquel l hydrogène peut directement répondre : le stockage de masse. 5. L hydrogène peut parfaitement se coupler au développement des EnR (éolien, solaire, bioénergies), où les synergies sont nombreuses, ainsi que celui du nucléaire. 6. La pile à combustible trouve naturellement sa place dans une architecture de réseaux intelligents dans laquelle elle tire partie de son principal atout : son efficacité énergétique comme système de conversion énergétique distribué. 7. Le véhicule à pile à combustible offre de nombreuses synergies avec le véhicule électrique à batteries, et répond dès aujourd hui à deux enjeux majeurs : une autonomie de plus de 400km et un temps d approvisionnement de 5mn. Le véhicule hydrogène à pile à combustible représente potentiellement l électromobilité de seconde génération et pourrait répondre aux attentes des consommateurs, en complément du véhicule électrique à batterie. 8. Le marché du transport automobile offre donc des perspectives à moyen terme très intéressantes pour l hydrogène et les PACs notamment en matière de réduction de gaz à effet de serre. Néanmoins à court terme un portefeuille d applications de marchés précoces existe et doit être développé en France pour porter la technologie à maturité et soutenir efficacement le développement de la filière. 9. Un investissement public-privé de 605 à 940 millions d euro sur 10 ans peut permettre à la France de rejoindre le groupe des leaders mondiaux aux cotés de l Allemagne, le Japon, les Etats-Unis, la Chine, le Canada, et les Pays Nordiques. 10. Les 5 prochaines années seront déterminantes pour établir le leadership international en matière d hydrogène et piles à combustible : il faut agir maintenant. La France dispose désormais d une «Vision Hydrogène France 2020» et d une «Feuille de Route Hydrogène France 2020» pour lancer le développement de sa filière de manière cohérente et ambitieuse, dès demain. Document rédigé par HINICIO page 4

5 1. Pourquoi l hydrogène comme vecteur d énergie? 1.1. Contexte et enjeux Nos sociétés sont aujourd hui confrontées à une convergence des crises énergétiques, climatiques et économiques nécessitant la remise en cause profonde de notre modèle de développement. Ces défis appellent des changements structurants dans notre manière de produire et de consommer l énergie. Certains engagements politiques significatifs traduisent depuis plus d une décennie une prise de conscience réelle de ces enjeux : Politique internationale : le Protocole de Kyoto fixe des objectifs internationaux pour lutter contre les émissions de GES et permet la mise en place d une série d outils, tels que le mécanisme de permis négociable, le Mécanisme de Développement Propre (MDP) et la Mise en Œuvre Conjointe (MOC). Politique européenne : l Europe a adopté en 2008 «paquet climat-énergie» et l objectif « » : 20% de réduction d émissions de GES, une amélioration de 20% de l efficacité énergétique et une pénétration des énergies renouvelables dans la consommation totale d énergie amenée à 20% à l horizon En parallèle, l hydrogène et les piles à combustible ont été identifiées comme des technologies clés au sein du SET-Plan 1. Les activités de recherche et de démonstration pour l hydrogène et les piles à combustible bénéficient ainsi du soutien de l Union Européenne via l Initiative Technologique Conjointe Hydrogène et Piles à Combustible, dotée d un budget public-privée de 940 millions d euros sur 7 ans. Politique nationale : les orientations stratégiques de la France en matière énergétique sont cadrées par la Loi-programme d Orientation de la Politique Energétique du 13 juillet 2005 (loi POPE) qui a introduit dans le paysage français la notion de «Facteur 4». Par ailleurs, l adoption des lois Grenelles I (Aout 2009) et Grenelles II (Juin 2010) constitue une étape essentielle de la politique française en matière d énergie et d environnement, faisant de la lutte contre le réchauffement climatique, l un des chantiers prioritaires pour le pays. Le Grenelle s aligne sur les objectifs définis dans la directive européenne des 3*20. Il faut néanmoins noter que contrairement à l Union Européenne et certains Etats Membres dont l Allemagne et les pays Scandinaves qui s engagent clairement à soutenir la filière hydrogène et piles à combustible, la France n a pas encore démontré un intérêt réel quant au déploiement de celle-ci. L inadéquation des textes réglementaires avec les utilisations de l hydrogène énergie s avère également fortement pénalisant pour les acteurs du secteur. Le soutien politique parait pourtant indispensable pour stimuler la commercialisation de ces technologies afin que la France puisse pleinement bénéficier du potentiel environnemental et économique de la filière. La filière française «H 2 PAC», si elle est suffisamment soutenue par les décideurs politiques, possède certains atouts qu elle peut ambitionner de valoriser à l export où 1 Strategic Energy Technology Plan : Document rédigé par HINICIO page 5

6 des opportunités réelles existent, notamment dans les marchés émergents où les réseaux électriques sont déficients, les classes moyennes accèdent à l automobile, tandis que les mégalopoles subissent une pollution croissante. Un positionnement à l export en complément d un soutien pour le développement des marchés français pourrait donc offrir des retombées très positives pour l économie du pays L hydrogène et les PAC : des technologies à fort potentiel pour relever nos défis énergétiques et climatiques Aujourd hui l hydrogène est principalement utilisé dans l industrie 2. Depuis une quinzaine d années les industriels et scientifiques travaillent également à la valorisation de l hydrogène comme «vecteur énergétique», c'est-à-dire comme un moyen pour transporter et stocker l énergie, au même titre par exemple que l électricité. L hydrogène peut ainsi être très pertinent pour le stockage d énergie comme nous le verrons dans la section 2.2. Ce n est pas une source d énergie primaire et tout comme l électricité, sa production nécessite l apport d énergie externe qui peut provenir d une variété de sources. Sa production par reformage dégage actuellement environ 10 tonnes de CO 2 pour chaque tonne d hydrogène produite. Néanmoins l hydrogène peut être produit à partir de l électricité du réseau ou de source renouvelable (par électrolyse de l eau) ; de l énergie nucléaire (par électrolyse de l eau ou par cycles thermochimiques); via différents processus de transformation de la biomasse (gazéification, bio digestion ou pyrolyse) ; et même par vaporeformage de gaz naturel intégrant la capture et le stockage de CO 2. On parle alors d hydrogène «vert». Ainsi, l hydrogène apparaît comme un complément des énergies renouvelables permettant de participer à la gestion des réseaux électriques en tant que solution modulaire de stockage d énergie pour une utilisation diversifiée. L hydrogène-énergie peut être valorisé dans un pile à combustible : La pile à combustible est un dispositif électrochimique qui convertit l énergie (de combustion) d un combustible en électricité et en chaleur avec une efficacité énergétique élevée. Les piles à combustibles peuvent être alimentées par de l hydrogène, du gaz naturel, du méthanol, de l éthanol, du biogaz, voire du GPL, de l essence et du gazole. Elles existent dans des tailles variant du Watt pour des applications électroniques embarquées, au MegaWatt pour des applications stationnaires industrielles. L atout des piles à combustible est de pouvoir répondre avec efficacité à une grande variété d usages et d applications énergétiques, comme par exemple : 2 En 2008, 56.7 milliards de tonnes d hydrogène étaient consommées dans le monde par l industrie chimique et le raffinage (source : AFH2). Document rédigé par HINICIO page 6

7 Les transports : automobiles particulières, transports collectifs, véhicules spéciaux, transport maritime, transport ferroviaire (applications pour lesquelles le faible impact environnemental et l autonomie sont des atouts) Les applications dites stationnaires : fourniture de courant de secours, systèmes de co ou tri-génération (applications pour lesquelles l efficacité énergétique élevée de la pile à combustible prend tout son sens); Les applications embarquées : générateurs portables, micro-générateurs, électronique portable grand public (pour ces applications, l autonomie et la puissance embarquée par unité de poids sont des atouts importants); Les applications militaires et l aéronautique : systèmes de propulsion, groupes auxiliaires de puissance (pour ces applications l autonomie, la faible emprunte sonore et la puissance embarquée par unité de poids sont des atouts) Les applications de niche tels les engins de manutention, les générateurs portables, la fourniture de courants de secours ou les générateurs pour sites isolés. Lorsque l hydrogène est produit de manière décarbonée, il constitue, en combinaison avec les piles à combustible, une nouvelle solution énergétique crédible pour une large palette d usages, permettant des gains écologiques et énergétiques significatifs. C est un complément potentiellement très pertinent pour les énergies renouvelables à même de contribuer à la gestion intelligente des réseaux électriques en tant que solution modulaire de stockage d énergie pour une utilisation distribuée. La figure ci-dessous présente une représentation synthétique de la chaîne de valeur de la filière l hydrogène, à travers 1) la production, 2) l infrastructure logistique (stockage, transport, distribution) et 3) l utilisation, essentiellement à travers la valorisation de l hydrogène dans une pile à combustible produisant de l électricité, et de la chaleur. Document rédigé par HINICIO page 7

8 Figure 1 - La chaîne d approvisionnement de l hydrogène (Source : Hinicio) L organisation spatiale d un système énergétique fondé sur l hydrogène peut varier grandement suivant le degré de centralisation de celui-ci. Il est possible d opter pour un système centralisé, à l image du système énergétique actuel, avec des capacités de production massives fournissant de l hydrogène à l ensemble des usages. Cette option nécessite néanmoins la mise en place d une infrastructure de transport et de distribution vers les points d utilisation. D un point de vue énergétique (mais aussi économique), il faut associer un coût non négligeable à ce transport, reflétant notamment la perte de rendement énergétique de la production à l utilisation. Il peut être aussi pertinent de s intéresser à une production d hydrogène locale pour une utilisation locale. Cela offre un nouveau moyen de valoriser les ressources énergétiques locales (éolien, solaire, biomasse ). L hydrogène pourrait ainsi avoir sa place dans les systèmes énergétiques décentralisés de demain. Remarquons qu il n est pas là question de devoir choisir entre un système totalement centralisé ou un système totalement décentralisé, mais bien de trouver les degrés de décentralisation (région, département, ville, quartier) qui représentent un optimum économique et écologique sur un territoire déterminé. Document rédigé par HINICIO page 8

9 2. Emergence d une filière hydrogène en France : Pertinence, opportunités, verrous et facteurs clefs 2.1. La transversalité de l hydrogène L hydrogène et les piles à combustible ont le potentiel pour apporter des degrés de flexibilité supplémentaire au système énergétique français. La transversalité de ces solutions permet en effet de dégager un certain nombre de synergies entre éléments importants de notre système énergétique (voir figure 2). Figure 2 - La transversalité de l hydrogène (source : Hinicio) Si les modèles économiques restent à inventer, la principale valeur-ajoutée de l hydrogène par rapport aux technologies concurrentes réside dans sa flexibilité : il existe une variété de modes de valorisation (énergétiques mais aussi industriels) possibles et modulables en fonction des besoins de l opérateur et des groupes d utilisateurs. Il ouvre ainsi la voie à un arbitrage en temps réel pour une utilisation là où sa valeur ajoutée est la plus forte dans un but d optimisation du système énergétique global. L hydrogène peut en outre constituer un lien nouveau entre deux composantes essentielles et jusqu à présent relativement cloisonnés, du système énergétique: le réseau électrique et le réseau gazier. La finalité devient alors l optimisation conjointe Document rédigé par HINICIO page 9

10 des systèmes électriques et gaziers, plutôt que l optimisation de chaque système considéré séparément. D où la nouvelle notion, introduite dans le cadre de cette feuille de route, de «Smart Energy Grid». Ce concept est plus complet que le concept habituel de «Smart Grid», qui se limite au réseau électrique. Le Smart Energy Grid porte en lui l idée d une intégration des réseaux électriques et gaziers, rendue possible par l utilisation de l hydrogène et la valorisation de ses complémentarités avec le vecteur électrique et le gaz naturel. Par ailleurs, dans le domaine de l électro-mobilité, l hydrogène est le complément idéal des véhicules électriques à batterie : - Le range extender (hybridation batterie / PAC) permet d augmenter significativement l autonomie des véhicules à batterie «traditionnels» et de diminuer le temps de recharge, deux des verrous majeurs de cette application. Par exemple 1kg d hydrogène embarqué permet d augmenter l autonomie de 100km 3. - Des véhicules 100% PAC peuvent aussi venir en complément d un véhicule électrique à batterie. Ils offrent des avantages en termes d autonomie et de temps de recharge. - L hydrogène est une solution très pertinente pour certaines catégorie de véhicules: flottes captives, petits véhicules urbains, scooters, engins de manutention, etc. Il peut apporter une réponse très pertinente à certains besoins spécifiques (exemple : besoin d autonomie des véhicules postiers dans certaines régions isolées). Les véhicules PAC permettent d entrevoir un élargissement des usages possibles du véhicule électrique et ouvrent la voie vers une électro-mobilité de seconde génération Les marchés et applications pour l hydrogène: courbes de maturité Les différentes applications de l hydrogène et des piles à combustible ne présentent pas le même degré de maturité. Le graphique ci-dessous récapitule le positionnement de ces applications sur leur courbe de maturité et tente de fournir un éclairage sur un horizon de temps pour le déploiement. 3 Source : groupe d experts Document rédigé par HINICIO page 10

11 2.3. Les perspectives de marchés Perspectives au niveau international : Le rapport FuelCellToday Industry Review publié en Janvier 2010 évalue, fin 2009, la filière à environ 75,000 piles à combustible installées dans le monde (dont les deux tiers ont été installées ces 3 dernières années) et une capacité de production d environ 220MW/an au niveau mondial. Malgré la récession globale, le rapport note une hausse des livraisons de 41% sur l année 2009 au niveau mondial et une croissance moyenne annuelle s établissant à 53% sur les 3 dernières années. A l horizon 2014, le rapport prévoit une augmentation significative des livraisons d équipements notamment, ceux dédiés à l électronique portable grand public, ainsi que ceux pour des applications stationnaires (1,5GW installés annuellement, soit environ 300,000 systèmes de tailles différentes). En matière d emplois, le rapport estime que l industrie pourrait globalement générer 700,000 emplois à l horizon 2019 dans le secteur manufacturier. En incluant les services d installation et de maintenance, cela pourrait potentiellement représenter plus d un million d emplois. 4 Source : Document rédigé par HINICIO page 11

12 Des millions de micro-pacs pour systèmes électroniques portables? De son coté le rapport «Fuel Cell Technologies Worldwide 5», réalisé par la société SBI Energy en 2010, estime que le marché des piles à combustible représentera 598 millions de dollars dès 2010 et atteindra 1,22 milliards de dollars d'ici à Certains experts consultés durant l étude ont évalué les marchés hydrogène et PACs à environ 1 milliard d euros en 2015 pour l Europe, principalement poussés par les marchés dits «précoces» : engins de manutention/levage, production sur sites isolés, courant de secours, système générateurs portables, petits véhicules logistiques. Ils estiment le marché au niveau mondial à potentiellement 5 milliards d euros à l horizon 2015 avec un degré d incertitude principalement lié au développement des marchés chinois et indiens. Notons également que la transition vers l hydrogène offrirait une opportunité économique pour renforcer la position de l Europe dans la production d automobiles et d équipements énergétiques. Finalement, le principal intérêt en termes de croissance économique pourrait être la forte baisse de la vulnérabilité de l économie aux chocs et aux prix structurellement plus élevés du pétrole Les verrous et facteurs clés Le développement de l hydrogène et des piles à combustible en France va dépendre de la levée de certains verrous et d une action ciblée sur un nombre restreint de facteurs clés de succès : Le soutien politique : Toute évolution profonde du système énergétique national nécessitera un appui politique fort, visible et sur le long-terme. L hydrogène ne fera pas exception. L engagement des grands industriels français : La stratégie des grands acteurs industriels nationaux vis-à-vis de l hydrogène constitue un levier indispensable au développement rapide de la filière car les petites entreprises innovantes ne pourront porter la filière sur un cycle de 10 à 15 ans. Le développement du système énergétique français et européen : La transversalité de l hydrogène et des PAC les rendent fortement dépendants des autres évolutions du système énergétique et de transport national, et européen. En l état actuel des choses, il est d ailleurs probable que c est l environnement extérieur qui va s imposer à la filière, et non l inverse. Les facteurs économiques externes à la filière : A l instar de la plupart des nouvelles technologies de l énergie, la pénétration des applications liées à 5 Source : Document rédigé par HINICIO page 12

13 l hydrogène et aux piles à combustible dépendra fortement de l évolution tendancielle et de la volatilité des prix du carbone, des énergies fossiles et de l électricité. Les facteurs réglementaires et normatifs : Le cadre réglementaire entourant les applications hydrogène-énergie est à l heure actuelle totalement inadapté, ce qui constitue un frein majeur au déploiement des technologies et à la croissance des marchés. Des évolutions encourageantes sont néanmoins à noter. La faisabilité sociale : La «peur de l hydrogène» peut en effet constituer un frein majeur à son développement. Nous pensons néanmoins que cette peur ayant pu gérer dans le nucléaire, elle pourra facilement l être pour l hydrogène si les pouvoirs publics le souhaitent. La production d hydrogène décarboné : Actuellement 95% de l hydrogène est produit à partir de combustibles fossiles. La production d une tonne d hydrogène génère ainsi en moyenne 10 tonnes de dioxyde de carbone. Pour que l hydrogène constitue une solution crédible, il convient donc de réduire drastiquement son empreinte carbone. Des travaux sont en cours, mais les solutions sont encore économiquement peu attractives. La valorisation des réductions de gaz à effet de serre sera un des facteurs déterminants pour la faisabilité économique La disponibilité de station service hydrogène sur le territoire national : L un des verrous économique majeur est aujourd hui la disponibilité de stations service à hydrogène sur le territoire national. Dans un premier temps, les verrous ne sont ni d ordre logistique, ni d ordre technique. Il s agit principalement d une question d investissement et de gestion du risque industriel à moyen terme. Des mécanismes spécifiques devront nécessairement être développés pour la mise en place d une stratégie optimale permettant de générer à la fois les effets d échelle et de nombre. Facteurs technico-économiques internes : La filière hydrogène-pac est caractérisée par un ensemble de défis technico-économiques, liés à l amélioration des différentes briques technologique. La question de la réduction des coûts est centrale, néanmoins elle n est pas spécifique à l hydrogène et les industriels du secteur semblent confiants dans leur capacité à mettre en œuvre des offres technologiques à des coûts absorbables par le marché. Document rédigé par HINICIO page 13

14 3. Visions extrêmes du système énergétique français à l horizon 2050 : quelle place pour l hydrogène à long terme? Les visions de long terme établies dans le cadre de cette feuille de route ont vocation à décrire, de manière extrême, les modalités de déploiement des options technologiques, organisationnelles et socio-économiques qui, selon le groupe d experts, permettraient à l hydrogène et aux piles à combustible de participer à l atteinte d objectifs ambitieux tel que la division par 4 des émissions de GES à l horizon 2050 par rapport à 1990 (objectif «facteur 4»). Ainsi, ces visions n ont pas la prétention de décrire ce que sera la réalité à l horizon 2050, mais plutôt de définir le champ des possibles pour ensuite en déduire un large ensemble de verrous, de priorités de recherche et de besoins de démonstrateurs associés à la réalisation de ces visions de long terme. La réalité de 2050 sera très probablement une combinaison des visions établies dans cette feuille de route. Pour parvenir à définir ce «champ des possibles», le groupe d experts s est attaché à identifier deux paramètres clés qui vont permettre de compartimenter les réalités possibles de 2050 en 4 visions contrastées. Les deux paramètres identifiés sont les suivants : - La production : centralisée versus décentralisée o centralisée : grandes quantités d hydrogène produites sur un nombre restreint de sites. o décentralisée : petites quantités d hydrogène produit de manière dispersée sur le territoire. - Les usages : concentrés versus diffus o concentrés : grande quantité d hydrogène consommée sur un nombre restreint de sites, typiquement des sites industriels. o diffus : petites quantités d hydrogène consommées de manière dispersée sur le territoire, comme par exemple un parc de véhicule à hydrogène. En faisant varier ces paramètres, nous arrivons aux quatre visions ci-dessous qui sont autant de possibilité de configuration pour un système hydrogène et piles à combustible à l échelle nationale. Document rédigé par HINICIO page 14

15 Figure 3 - Les 4 visions Vision extrême n 1 : Hydrogène «vert» captif ou dédié pour l industrie HYPOTHESES CONSEQUENCES Production d hydrogène CENTRALISEE Usages de l hydrogène CONCENTRES Infrastructure Interactions et synergies avec les autres filières énergétiques - Reformage du gaz naturel avec captage et stockage du CO 2 - Electrolyse Haute et Basse Température (sur site d utilisation ou adossée à des sites de production d électricité de grande taille notamment les parcs d éolien en mer et les centrales nucléaires) - Gazéification de la biomasse et reformage de biogaz - Nouveaux procédés (décomposition thermochimique de l eau, procédés biologiques - Usages industriels : raffinage des carburants classiques, biocarburants, carburants de synthèse, industrie chimique, sidérurgique, etc. - Cogénération de forte puissance (>50MW). - Unités de micro et moyenne cogénération à piles à combustible fonctionnant au gaz naturel ou au biogaz. - Hydrogène principalement captif ou dédié - Infrastructure réduite au minimum. Limitée aux sites industriels avec dans certains cas des interconnexions de courtes distances par gazoducs (hydrogénoducs dédiés ou en mélange avec du gaz naturel) entre certains de ces sites - Stockage : besoins limités grâce à la connaissance fine de l offre et de la demande. Capacités de stockage de masse «tampon» à prévoir lorsque l hydrogène provient d EnR ou de source nucléaire. Synergies avec les filières CSC et Biomasse (production), biocarburants 2G et autres carburants de synthèse, avec les EnR, le parc nucléaire et le réseau électrique, le réseau et les usages de gaz naturel notamment dans le bâtiment. Document rédigé par HINICIO page 15

16 Compétences et acteurs Aspects économiques Aspects sociétaux Rôle important des producteurs et distributeurs historiques d énergie et d hydrogène ainsi que de la filière CSC. - Importance des prix du carbone, du gaz naturel et de l électricité - Apparition possible d un véritable marché de l hydrogène Pas de changement dans les habitudes de vie 2.6. Vision extrême n 2 : Marché d hydrogène «vert» pour l industrie HYPOTHESES CONSEQUENCES Production d hydrogène DECENTRALISEE Usages de l hydrogène CONCENTRES Infrastructure Interactions et synergies avec les autres filières énergétiques Compétences et acteurs Aspects économiques Aspects sociétaux - Gazéification de la biomasse et reformage de gaz naturel - Electrolyse (adossée à des parcs EnR de petite et moyenne taille et/ou connectée au réseau) - Décomposition photochimique de l eau - Nouveaux procédés (décomposition thermochimique, procédés biologiques) - Usages industriels : raffinage des carburants classiques, biocarburants, carburants de synthèse, industrie chimique, sidérurgique, etc. - Cogénération de forte puissance (>50MW). - Unités de micro et moyenne cogénération à piles à combustible fonctionnant au gaz naturel ou au biogaz. - Présence d une infrastructure permettant de collecter l hydrogène sur une multitude de sites de production diffus pour l acheminer vers des sites d utilisation concentrée. - Utilisation du réseau de gaz naturel existant et construction d un réseau d «hydrogénoducs» dédiés. - Existence de capacités de stockage de petites et grandes capacités proches des sites de production et de consommation Synergies avec les filières biocarburants 2G et autres carburants de synthèse, le réseau et les usages du gaz naturel notamment dans le bâtiment, la filière biomasse, les EnR et le réseau électrique. - Nouvelles compétences nécessaires : production décentralisée, transport et stockage d hydrogène, production d électricité et de chaleur via la cogénération. - Nouveaux acteurs : petits producteur EnR, exploitants de gisement de biomasse, intermédiaires entre les producteurs locaux d hydrogène et les sites d utilisation concentrée. - Apparition possible d opérateurs locaux chargés de l ajustement entre les différents vecteurs énergétiques (électricité, gaz naturel et hydrogène). - Prix de l hydrogène suffisamment élevé pour rentabiliser les investissements élevés dans les infrastructure - Développement d un marché national dérégulé Pas de changement dans les habitudes de vie Document rédigé par HINICIO page 16

17 2.7. Vision extrême n 3 : Hydrogène décarboné en ré seau national HYPOTHESES CONSEQUENCES Production d hydrogène CENTRALISEE Usages de l hydrogène DIFFUS Infrastructure Interactions et synergies avec les autres filières énergétiques Compétences et acteurs Aspects économiques Aspects sociétaux - Reformage du gaz naturel avec captage et stockage du CO 2 - Electrolyse Haute et Basse Température (sur site d utilisation ou adossée à des sites de production d électricité de grande taille notamment les parcs d éolien en mer et les centrales nucléaires) - Gazéification de la biomasse et reformage de biogaz - Nouveaux procédés (décomposition thermochimique de l eau, procédés biologiques. - Transport : véhicules terrestres ou navires électriques (pile à combustible seule et/ou en hybridation avec des batteries) et/ou dans des véhicules thermiques utilisant de l Hythane - Micro et moyenne cogénération (hydrogène, gaz naturel, Hythane, combustible ex-biomasse) - Fourniture d énergie aux objets nomades (micro-ordinateurs, téléphones, objets multimédia, etc.) - Générateurs de courant de secours (data center, hôpitaux, etc.) - Générateurs pour sites isolés ou adossés à des parcs EnR (éoliennes off-shore, ) - Groupes auxiliaires de puissance (applications aéronautiques, secteur maritime, etc.) - Usages d hydrogène chez les petits industriels Gestion centralisée «top-down» de la fourniture en énergie finalement très similaire à l architecture actuelle des réseaux énergétiques : - Réseau de gaz naturel pour le transport et la distribution d hydrogène en mélange avec le gaz naturel (Hythane ). - Réseau d «hydrogénoducs» - Réseau de transport (routier, ferroviaire, fluvial) pour la distribution d hydrogène liquide et/ou gazeux - Réseau de stations-service à hydrogène et/ou Hythane devra aussi développé pour permettre l approvisionnement en hydrogène des véhicules. Synergies avec les filières CSC et Biomasse (production), avec les EnR, le parc nucléaire et le réseau électrique, le réseau de gaz naturel, le véhicule électrique et GNV et dans le bâtiment. - Nouvelles compétences : production d hydrogène «vert», gestion de macro réseaux d hydrogène et d énergie. - Rôle important des grands acteurs énergéticiens dans la gestion des macro-réseaux («smart energy grid») et la fourniture de services énergétiques globaux (électricité, gaz, hydrogène, chaleur) - Rôle important des producteurs et distributeurs historiques d énergie et d hydrogène ainsi que de la filière CSC. - Rôle important des distributeur historiques d hydrogène. - Apparition d un marché ouvert de l hydrogène Changement importants des habitudes de vie de la population. Document rédigé par HINICIO page 17

18 2.8. Vision extrême n 4 : Une économie locale de l hydrogène maille le territoire HYPOTHESES CONSEQUENCES Production d hydrogène CENTRALISEE Usages de l hydrogène DIFFUS Infrastructure Interactions et synergies avec les autres filières énergétiques Compétences et acteurs Aspects économiques Aspects sociétaux - Gazéification de la biomasse et reformage de gaz naturel - Electrolyse (adossée à des parcs EnR de petite et moyenne taille et/ou connectée au réseau) - Décomposition photochimique de l eau - Nouveaux procédés (décomposition thermochimique, procédés biologiques) - Transport : véhicules terrestres ou navires électriques (pile à combustible seule et/ou en hybridation avec des batteries) et/ou dans des véhicules thermiques utilisant de l Hythane - Micro et moyenne cogénération (hydrogène, gaz naturel, Hythane, combustible ex-biomasse) - Fourniture d énergie aux objets nomades (micro-ordinateurs, téléphones, objets multimédia, etc.) - Générateurs de courant de secours (data center, hôpitaux, etc.) - Générateurs pour sites isolés ou adossés à des parcs EnR (éoliennes off-shore, ) - Groupes auxiliaires de puissance (applications aéronautiques, secteur maritime, etc.) - Usages d hydrogène chez les petits industriels Production diffuse disséminés sur le territoire et proche du lieu d utilisation: - Micro-réseaux à l échelle d une ville ou d un département - Utilisation des boucles locales de gaz naturel - Réseau de stations-service à hydrogène et/ou à Hythane afin de permettre l approvisionnement des véhicules utilisant ces combustibles. - Dispositifs de production d hydrogène directement installés chez les particuliers ou dans les stations services. - Capacités de stockage diffuses Synergies avec la filière biomasse, les EnR et le réseau électrique, le réseau de gaz naturel, le véhicule électrique et GNV et dans le bâtiment. - Nouvelles compétences : production décentralisée, transport et stockage de l hydrogène et à la production d électricité et de chaleur via la cogénération, gestion de micro réseaux. - Rôle important des petits producteurs d électricité et des exploitants de sites de biomasse, des acteurs locaux (PMEs et collectivités territoriales) et des gros industriels bénéficiant d une forte composante locale. - Importance du coût du stockage. Changement importants des habitudes de vie de la population. Document rédigé par HINICIO page 18

19 4. Emergence d une vision de l hydrogène en France à l horizon 2020 Au terme de plusieurs réunions d experts et dirigeants d entreprises, de nombreux échanges et des entretiens individuels, les acteurs interrogés sont parvenus à dégager certains éléments stratégiques englobant permettant de rassembler les aspirations collectives de la filière et les challenges sociétaux auxquels l hydrogène énergie pourrait répondre à l horizon 2020 : ces éléments sont dorénavant regroupés autour de 4 piliers stratégiques pour la filière ainsi qu un pilier constitué de mesures d accompagnement pour la filière. Ils contribuent ensemble directement aux objectifs du Grenelle de l Environnement et aux objectifs européens « ». L ensemble de ces 5 piliers constitue «La Vision Hydrogène France 2020» : Figure 4 - La Vision Hydrogène France 2020 développée par Hinicio avec le soutien de l ensemble des acteurs de la filière. Document rédigé par HINICIO page 19

20 Pilier 1 : La convergence EnR Hydrogène : «L hydrogène pour les renouvelables, l hydrogène par les renouvelables» Comme le chapitre 2 sur les potentialités de l hydrogène le démontre, les synergies «amont» en matière de production d énergie permettent d entrevoir à l horizon 2020 des possibilités de convergence forte entre la production d électricité à partir de sources d énergies renouvelables et la production d hydrogène «vert» valorisable de multiples manières. La valorisation de l électricité fatale permettra la production économique d hydrogène vert et cette production permettra également d assurer un stockage et une valorisation plurielle et flexible des sources primaires d énergie renouvelables. Les industriels français projettent d installer à l horizon 2020 environ 100MW de projets avec valorisation industrielle ou énergétique de l hydrogène «vert produit» (3t/h) et une part de marché de 5 à 15% sur les nouveaux besoins de stockage d énergie avec réinjection sur les réseaux d électricité et/ou de gaz naturel (pas nécessairement au même endroit, et avec certainement une valorisation de la chaleur). Pilier 2 : Vers une nouvelle génération d électro-mobilité - «L élargissement des marchés du véhicule électrique» Comme évoqué à plusieurs reprises dans le document, la pile à combustible combinée à l hydrogène, offre une option particulièrement attractive dans le domaine des transports, notamment pour le véhicule particulier. Le véhicule à PAC (100% ou «range extender») est parfaitement complémentaire avec le véhicule électrique à batterie car il va élargir la palette des usages de l électro-mobilité. L hydrogène va permettre un bon en avant en matière d autonomie et de temps de recharge, qui sont aujourd hui les principaux verrous pour l acceptation par le consommateur du véhicule à batteries. Il offre ainsi une solution tout à fait pertinente pour une nouvelle génération d électro-mobilité. Les leviers technico-économiques seront levés petit à petit et les constructeurs automobiles français pensent que le déploiement commercial sur le marché des particuliers débutera autour de Les industriels français projettent de mettre en opération environ véhicules à l horizon 2020 (principalement pour les flottes captives) et de structurer la filière afin d envisager à cette échéance le lancement commercial de ces véhicules sur le marché des particuliers prenant ainsi progressivement le relais des véhicules hybrides électriques-thermiques. En parallèle, une infrastructure de remplissage suffisamment maillée aura été mise en place pour atteindre ces objectifs. Pilier 3 : Les PAC et l hydrogène au service de la ville durable «L hydrogène au cœur des éco-quartiers et des réseaux énergétiques intelligents» Les potentialités de la pile à combustible en matière d efficacité énergétique et de réduction des GES permettent d entrevoir son rôle de manière centrale au service de la ville durable et des bâtiments et îlots basse consommation et à énergie positive. La génération distribuée à partir de PAC et le stockage à partir d hydrogène dans des bâtiments / ilots de bâtiments passifs ou à énergie positive, combinée à l intelligence des Smart-Grids permettront d optimiser les flux énergétiques au niveau du réseau local. Les industriels français souhaitent faire partie intégrante de la Document rédigé par HINICIO page 20

21 révolution vers une ville et des bâtiments énergétiquement plus sobres et intelligents. Ils projettent d installer entre et systèmes de microcogénération à l horizon Ils visent aussi dans la même échelle de temps un déploiement sur le marché de masse des systèmes de moyenne cogénération. Par ailleurs, les industriels croient fermement que l hydrogène et les PAC peuvent représenter entre 10 et 20% de part de marché dans les bâtiments et îlots autonomes énergétiquement et intégrant donc la fonction stockage. Enfin, au niveau infrastructurel, afin d intégrer l ensemble des ces déploiements de la manière la plus cohérente possible, le but est d atteindre entre 10 et 20 villes ou éco-quartiers approvisionnés via des réseaux de distribution locaux hydrogène / gaz naturel. Pilier 4 : L hydrogène et les PAC : vecteur de croissance national et international : «Exporter les technologies énergétiques de demain» Malgré les opportunités offertes par le marché français, force est de constater que les marchés à plus forts potentiels pour la filière hydrogène et piles à combustible se situent, au moins dans un premier temps, principalement à l international, notamment dans les économies émergentes ou en transition dans lesquelles les réseaux électriques sont largement déficients et le marché automobile en pleine expansion. En s inspirant de certains secteurs fleurons de l industrie française, dont la stratégie est quasi-exclusivement tournée vers l export (aéronautique, semi-conducteur, pharmacie, luxe), le groupe d experts pense que le développement de la filière hydrogène et PAC peut être largement dopée par le demande étrangère. L industrie française a les capacités de conquérir de nouveaux marchés à l export sur plusieurs maillons à forte valeur ajoutée de la chaîne de valeur, notamment le stockage haute pression, l électrolyse PEM, l intégration et l opération des systèmes H2PAC et les marchés précoces. Les industriels français de la filière projettent de réaliser plus de 50% de leur chiffre d affaires à l export à l horizon Pour plusieurs d entre eux, ce chiffre dépasse 80%. Nous entrevoyons un vecteur de croissance importante sur un segment, les nouvelles technologies de l énergie, où la plupart des filières sont aujourd hui largement importatrices de technologies étrangères. Pilier 5 : Les 4 premiers piliers se voient complétés d un cinquième pilier transversal visant à la mise en place de l ensemble des mesures transverses d accompagnement nécessaires au développement de la filière. Ceci inclut notamment la levée des verrous réglementaires, la structuration et l animation de la filière, la mise en place ces des outils adaptés de gestions du risque et d une tarification adaptée et la gestion de la faisabilité sociétale. Document rédigé par HINICIO page 21

22 5. La Feuille de Route Hydrogène France 2020 La viabilité de la «Vision Hydrogène France 2020» s est vue traduite par la mise en place d objectifs qualitatifs et quantitatifs intermédiaires à l horizon 2015 et 2020 qui constituent la «Feuille de Route 2020 Hydrogène France». La synthèse visuelle de «Feuille de Route 2020 Hydrogène France» qui apparaît en figure 5 reprend les principaux «indicateurs de performance» aux horizons 2015 et 2020, qui représentent les moyens d atteindre les «objectifs stratégiques», ainsi que les objectifs de déploiement sur les 4 grands domaines applicatifs sur lesquelles la filière s est accordée : Marchés précoces, Transport, Bâtiments et industrie et Stockage d énergie. Objectifs technico-économiques de la feuille de route: Marchés précoces : Générateurs de courant de secours : l objectif est fixé à 5MW installé pour 2015 avec un doublement à l horizon Alimentation de sites isolés : l objectif est d alimenter une centaine de sites pour un équivalent d environ 200kW en Le déploiement devra ensuite s accélérer dans les cinq années suivantes pour atteindre 2000kW installé en 2020 soit environ sites. Engins de manutentions : l objectif de vente est de 200 unités par an pour 2015 et de 400 unités par an en Transports : Flottes captives de véhicules : cibles prioritaires pour l introduction des véhicules PAC sur le marché, ceci notamment afin de minimiser les coûts d infrastructures et d optimiser le taux d utilisation des stations d approvisionnement. Une phase de démonstration ciblée sur les flottes captives est prévue entre 2010 et 2015 pour les véhicules PAC. A ce stade aucune architecture automobile ne devra être privilégiée. L objectif est d atteindre un parc de quelques milliers de véhicules en 2015 puis environ véhicules (principalement des flottes captives) en En parallèle, quelques dizaines milliers de véhicules Hythane seront mis sur route en 2015 et plusieurs dizaines de milliers en 2020 (environ 10% des véhicules fonctionnant au gaz). Transport fluvial et maritime : un objectif de 50 projets de 100kW en moyenne a été fixé à l horizon Document rédigé par HINICIO page 22

23 Figure 5 - Feuille route Hydrogène France 2020 (source : Hinicio)

24 Bâtiments et industrie : Micro-cogénération (<10kW) : objectifs de 100 à et 200 unités de 1 à 2 kw installés chaque année dans les logements à l horizon Par la suite ces chiffres augmenteront significativement pour atteindre à unités installées par an. Les piles SOFC sont attendues sur le marché dans les prochaines années et contribuerons certainement significativement aux objectifs Moyenne cogénération (quelques centaines de kw) : phase de démonstration et de pré déploiement commercial est prévu entre 2010 et 2015 avec 5 à 10 expériences. Si les tests sont concluants la filière peut espérer conquérir une part de marché non négligeable sur le marché de la moyenne cogénération entre 2015 et 2020 pour la technologie MCFC puis à partir de 2020 avec la technologie SOFC. Cogénération de forte puissance (supérieure au MW): le début des opérations de démonstration peut être espéré pour la période Systèmes combinant stockage et génération décentralisés pour les bâtiments et îlots autonomes en énergie : phase de démonstration entre 2010 et 2015 avec une dizaine de systèmes entre 20 et 200 kw installés. A terme ces solutions peuvent espérer conquérir entre 10 et 20% de part de marché dans les bâtiments intégrant la fonction stockage. Stockage d énergie : Stockage avec réinjection sur le réseau : l objectif poursuivi pour 2015 est la validation technico-économique avec 4 ou 5 projets de démonstration représentant une puissance d interaction avec le réseau d environ 10MW et une énergie stockée supérieure à 50MWh. Par la suite, si les tests sont concluants, l objectif à l horizon 2020 est d atteindre une part de marché de 5 à 15% sur les nouveaux besoins de stockage. Stockage avec valorisation externe de l hydrogène : validation technicoéconomique visée en 2015 avec environ 3 projets représentant 10MW soit environ un total de 7 200kg d hydrogène produit chaque jour, cet hydrogène pouvant ensuite être valorisé de différentes manières. En cas de succès dans cette étape de validation, la filière vise 100MW de projets installés pour 2020 représentant kg d hydrogène généré par jour. «Smart Energy Grids» : première validation technico-économique du concept «sur papier» d ici à 2015 pour ensuite entrer dans une phase de démonstration avec 1 à 5 projets opérant en 2020 à l échelle d un écoquartier ou d une ville de quelques milliers d habitants. Injection dans le réseau de gaz naturel : objectif de 10 à 20 villes ou écoquartiers alimentés en hydrogène / gaz naturel via le réseau de gaz naturel à l horizon 2020.

25 Objectifs organisationnels de la feuille de route : Un certain nombre de mesures d accompagnement seront nécessaires au développement de la filière à court et moyen terme : la réglementation et la normalisation ; l animation et la structuration de la filière française ; la gestion de l adaptation industrielle ; le développement de capacités, la formation et la gestion des questions sociétales. Réglementation : L objectif 2015 est d avoir lever l ensemble des verrous réglementaires et normatifs pour le déploiement des applications hydrogèneénergie. Animation / structuration : La mise en œuvre de cette feuille de route devrait permettre à la France de voir autour de 2015 l émergence d une filière industrielle H2PAC forte, active en France et à l export. La France a le potentiel pour disposer dès 2015 de champions industriels sur plusieurs maillons de la chaîne de valeur à très forte valeur ajoutée comme l électrolyse PEM, le stockage hautepression, les marchés précoces voir même l intégration de systèmes. La réalisation de ces objectifs ambitieux est conditionnée par la mise en place des structures adaptées pour la coordination de la filière au niveau national et pour l interaction avec les autres parties-prenantes (filières EnR connexes, collectivités, utilisateurs, etc.). Il apparaît donc nécessaire de créer une structure dédiée indépendante pour la mise en œuvre de la feuille de route nationale sur une durée de 10 ans. Adaptation industrielle : La problématique de la gestion du risque est importante pour les industriels de la filière hydrogène. Nous recommandons à l ADEME de mener une étude spécifique sur le sujet afin d identifier les besoins (pour les acteurs de la filière et pour leur clients) et mettre en place avant 2015 les outils adaptés pour la gestion du risque industriel. Il est recommandé d associer à ces réflexions aussi bien les pouvoirs publics que les bailleurs de fonds privés et le secteur des assurances. Capacité / Formation / Société : Il sera nécessaire d ici 2015 d assurer la mise en place des filières de formations adaptées (pour ingénieurs, techniciens, installateurs, artisans, gestionnaires de flottes, etc.). Parallèlement à cela, des efforts de sensibilisation devront être menés auprès des premiers utilisateurs (préfectures, gestionnaires de flottes, architectes, prescripteurs, "energy managers") afin de gérer les problématiques de la sécurité et de la «peur de l hydrogène». Les organismes certificateurs et les services de l état y seront étroitement associés. Document rédigé par HINICIO page 25