Réseau Transports et Mobilités Durables Paris, le 01 août 2014 L hydrogène-carburant, une révolution énergétique pour les transports en devenir L hydrogène, ou dihydrogène (H 2) de son nom scientifique, est un gaz léger qui ne peut se trouver à l état naturel sur Terre mais qui est très abondant sous forme atomique, notamment dans l eau et dans les hydrocarbures. Il nécessite donc une transformation industrielle. L hydrogène peut être converti en électricité, en chaleur ou en force motrice selon l usage final. La consommation mondiale d hydrogène est aujourd hui d environ 50 millions de tonnes par an. En tant que vecteur énergétique, il trouve des applications stationnaires (cogénération 1, production d électricité dans des lieux isolés ), mobiles (sur les chariots élévateurs, voitures, bateaux, aérospatial, scooter ) et industrielles (industrie chimique et pétrochimique principalement). I. De beaux arguments pour révolutionner le secteur des transports L hydrogène présente plusieurs avantages : 1. L hydrogène : une énergie inépuisable L hydrogène est l'élément le plus abondant de l'univers. Il est le principal constituant du soleil et de la plupart des étoiles. Malgré que l'on en trouve que très peu sur Terre, il est possible de le produire à partir d'autres sources comme l'eau, les hydrocarbures et autres matières organiques puisque l'hydrogène est présent dans de nombreux composés terrestres. Cette énergie ne présente donc pas l'inconvénient d'être "fossile". 2. Hydrogène et émissions de polluants : le candidat idéal Une Combustion non carbonée : La combustion de l hydrogène a l avantage de n émettre que de l eau et de la chaleur, rien de nocif donc, autant pour les pollutions locales que pour le climat. C est un argument décisif pour décarboner notre modèle de mobilité, répondre à ses impacts sur la qualité de l air et aux enjeux du réchauffement climatique. Une production, par électrolyse de l'eau, qui ne produit pas de CO2 : Lorsque l électricité utilisée pour cette méthode provient d une source renouvelable, le bilan carbone de la production d hydrogène sera nul. 1 Cogénération : production d électricité et de chaleur avec la même source d énergie, ce qui permet d importants rendements.
3. Une solution performante de stockage d énergie L'électricité d'origine renouvelable ayant une production assez aléatoire, son stockage est important. L'hydrogène présente une capacité de stockage performante et diversifiée et peut donc constituer un moyen efficace pour stocker l électricité sur des durées longues. II. Les problèmes que pose l'utilisation de l'hydrogène : L hydrogène énergie est prometteur à plus d un titre. Néanmoins, son exploitation industrielle n en est qu aux balbutiements et de nombreuses limites doivent encore être surmontées avant de pouvoir trouver sa place dans le modèle de mobilité décarbonée. 1. La question de la production Si une voiture roulant à l hydrogène n émet que de l eau et de la chaleur, tout l enjeu environnemental du dihydrogène est dans sa production même. Celle-ci requiert, en effet, une énergie importante, bien souvent source de pollution. L hydrogène n est pas disponible à l état naturel. Il est dans la plupart des cas mélangé à d autres éléments et doit donc être extrait par une source d énergie capable de provoquer une séparation d éléments chimiques. La plus grande partie de l hydrogène est actuellement produite à partir de gaz naturel et est utilisée par les industriels pour ses propriétés chimiques, en particulier dans les usines d ammoniac (50% de la consommation mondiale) et dans les raffineries de pétrole (désulfurisation d essence et de gazole, production de méthanol, etc.). Près de 95% de la production d hydrogène est encore issue d énergies fossiles (gaz naturel, pétrole, charbon). On appelle «hydrogène bas carbone» l hydrogène produit grâce à une source d énergie renouvelable ou nucléaire, ce qui représente une part marginale de la production. 2/11
Figure 1 : Principales origines de l hydrogène produit dans le monde Source : IFP énergies nouvelles 2011 Différentes technologies de production d hydrogène sont utilisées : 1.1. Le reformage des combustibles fossiles à la vapeur d eau (ou vaporeformage) Le vaporeformage du gaz naturel est la méthode la plus courante. C est le procédé de référence, le plus économique. Mais son prix de revient reste bien plus élevé que celui du gaz naturel. Elle casse la molécule de méthane (CH 4), principal composant du gaz naturel, qui possède 4 atomes d hydrogène, avec de la vapeur d eau à 900 C. Deux réactions successives permettent de produire de l hydrogène (H 2) d une part et du dioxyde de carbone (CO 2) d autre part. CH 4 + 2 H 2O 4 H 2 + CO 2 1.2. L électrolyse de l eau Ce procédé nécessite de l électricité. Il est rentable si la production d électricité présente elle-même un coût peu élevé. Le courant électrique décompose la molécule d eau en hydrogène et en dioxygène (O 2). H 2O + électricité H 2 + ½ O 2 + chaleur Ce procédé correspond à la réaction inverse de celle se produisant dans une pile à combustible. Il permet de produire un hydrogène peu carboné (si l électricité est produite en utilisant des sources renouvelables) mais n est pas encore viable économiquement (2 à 3 fois plus coûteux que le procédé de vaporeformage). Le rendement de cette technique est de 40% sur toute la chaîne mais peut atteindre 80% en récupérant la chaleur. 3/11
1.3. Gazéification et pyrolyse de biomasse (en particulier de charbon de bois) Ce procédé est en cours de recherche et développement. Il permet par exemple d obtenir de l hydrogène par transformation chimique du bois à très haute température (entre 1 200 C et 1 500 C). On obtient un mélange de gaz contenant de l hydrogène (H 2) et du monoxyde de carbone (CO). Après purification de ce mélange, on obtient de l hydrogène. 1.4. Autres procédés à l état de recherche D autres techniques de production d hydrogène sont actuellement à l étude comme la photoélectrolyse (cellule photoélectrochimique décomposant l eau sous l effet de la lumière), la décomposition thermochimique de l eau (l eau est chauffée à 800/1000 C grâce à l énergie nucléaire) ou encore des microorganismes (production d hydrogène par des bactéries modifiées sous l effet de la lumière du soleil). Figure 3 : Chaîne de production et de distribution de l hydrogène Source : Connaissance des énergies, 2011 4/11
La production industrielle mondiale d hydrogène gazeux atteint actuellement 56,6 millions de tonnes par an, soit moins de 2% de la consommation mondiale d énergie. Son développement est conditionné à trois facteurs clefs : sa compétitivité prix, son rendement énergétique et l absence d émission de CO 2. Bien qu elle soit encore marginale, la production sobre en carbone de l hydrogène existe grâce à l électrolyse alimentée par de l énergie d origine renouvelable ou, bien que cette technique pose des problèmes techniques non résolus, par séquestration du CO 2 s il est issu des énergies fossiles. Le développement d une chaîne de production d hydrogène sobre en carbone est un pré requis essentiel pour que l hydrogène énergie puisse jouer un rôle dans la mobilité durable. 2. Le problème du stockage L hydrogène énergie fait face à un défi technologique important quant au stockage : il s agit de trouver des moyens embarqués efficaces et sûrs permettant une autonomie satisfaisante des véhicules. L enjeu n est pas aisé sachant que l hydrogène est un gaz très explosif et avec une densité extrêmement faible. Bien qu il ait une grande densité énergétique par unité de masse (3 fois plus que le gazole), l hydrogène possède une très faible densité énergétique volumique à pression atmosphérique normale (3 000 fois plus faibles que le gazole). Il est dès lors difficile de le transporter et de le stocker dans des conditions économiques et de sécurité satisfaisante. Il existe plusieurs technologies de stockage et de transport de l hydrogène : 2.1. Le stockage sous pression L hydrogène est comprimé à 350 ou 700 bars pour en faciliter le transport, le stockage et son application dans les véhicules. Bien que cette technologie pose certains défis de sécurité, cela semble être une solution efficace pour appliquer cette technologie aux véhicules. Le problème est le poids de «l'emballage». Les réservoirs de stockage sont en effet beaucoup plus lourds que ceux utilisés pour les carburants actuels 2.2. L hydrogène liquide Il est également possible de liquéfier l hydrogène à -253 C pour le stocker et le transporter plus facilement, bien que cette solution soit très énergivore et aussi pesante. 5/11
2.3. Le stockage par l hydrure métallique L hydrogène peut enfin être transporté et stocké grâce à des hydrures métalliques qui absorbent le gaz grâce à une réaction d hydruration et peuvent ensuite le restituer. Cette technique n est pas développable industriellement actuellement Les recherches actuelles s orientent principalement vers le stockage, à moindre coût et de manière sûre, de l hydrogène sous 700 bars de pression, à moins que d autres formes de stockage plus spécifiques (nanotubes de carbone, hydrures métalliques, glace sous pression) ne se développent plus rapidement. La question du stockage est un véritable enjeu autant pour développer la mobilité à l hydrogène que pour soutenir les énergies renouvelables. Celles-ci sont en effet par nature intermittentes et sont donc exigeantes pour le réseau qui doit impérativement maintenir l équilibre entre offre et demande d électricité. Le stockage de l'électricité fiable et à moindre coût peut se faire, en région montagneuse dans des Systèmes de transfert d'energie par pompage (STEP). Mais, dans les régions sans relief suffisant, l'hydrogène aura un rôle à jouer. 3. L enjeu de la sécurité L hydrogène énergie pose des problèmes en termes de sécurité. Ce facteur risque met en danger un éventuel développement industriel respectant des normes de risque acceptables et surtout l acceptation de la technologie par le grand public qui n a pas encore tout à fait oublié la tragique fin des dirigeables (accident du LZ 129 Hindenburg en 1937). Deux points suscitent une inquiétude : - L hydrogène s enflamme plus aisément que l essence et la flamme est très peu visible (bleue pâle). Le risque d incendie et d explosion est élevé. Néanmoins, l hydrogène étant très léger, il se disperse bien plus rapidement dans l air que les vapeurs de gaz naturel ou d essence, ce qui diminue le risque d explosion. - La molécule d hydrogène étant de petite taille, le risque de fuite d un réservoir est plus élevé qu avec un carburant traditionnel (la molécule traverse plus aisément les parois d un réservoir). Sa généralisation auprès du grand public et son utilisation au sein de véhicule nous exposent à de nouveaux risques qu il s agit d anticiper et de prévenir. Et bien qu il n y ait eu que très peu d accidents jusqu à aujourd hui, la maîtrise de ces risques est une priorité avant de tenter de faire accepter cette nouvelle énergie au grand public. 6/11
L Etat, à travers l INERIS (Institut national de l environnement institutionnel et des risques) et les sapeurs-pompiers, se penche sur cette question autant pour prévenir les risques que pour savoir réagir en cas d accident. Notons deux expériences positives auprès du grand public : - Nombre de nos mères, grand mères ou arrières grand mères ont fait la cuisine sur des gazinières alimentées au «gaz de ville» qui contenait 50% d'hydrogène ; - A Dunkerque, les 2 autobus alimentés partiellement en hydrogène (et qui ont roulé durant 2 ans) n'ont pas soulevé d'émois dans la population. III. Comparaison des 3 méthodes d'utilisation de l'hydrogène pour les transports Les 3 méthodes d'utilisation de l'hydrogène dans les transports actuellement connues sont les suivantes : 1. En mélange avec du gaz naturel Cette méthode qui a déjà été expérimentée sur expérimenté à Dunkerque par GDF-Suez dans 2 autobus de transport urbain 2 présente trois avantages : - Le réseau actuel de distribution de gaz est très développé en France et l'hydrogène sera ainsi distribué facilement ; - Le réseau de gaz actuel a des capacités de stockage importantes (cavités souterraines et variation de pression dans le réseau) et il servira (au moins dans les régions sans relief) de méthode de stockage de l'électricité. Ce réseau peut également être alimenté par du méthane provenant de la biomasse ; - l'augmentation progressive du taux maximum d'hydrogène contenu dans ce gaz est un atout précieux pour assurer en souplesse la conversion vers le «tout hydrogène» (après que les réserves de gaz naturel auront été épuisées). Une remarque importante avant d envisager une généralisation : pour augmenter le taux d'hydrogène, il faudra faire des modifications de motorisation. 2 Le gaz utilisé était de l Hythane, mélange de 20% d hydrogène et de 80% de gaz naturel. Cette expérimentation a pris fin en 2011. 7/11
2. Dans un moteur à explosion Le moteur à hydrogène est un moteur à combustion interne utilisant l hydrogène gazeux comme carburant. Le dihydrogène (H 2) «explose» dans le dioxygène (O 2), cette réaction aboutissant à la production d eau (H 2O) et à une libération d énergie qui est utilisée pour propulser le véhicule 3. Cette méthode nécessite encore de l'expérimentation, mais elle a deux avantages : - La technologie du moteur à explosion est très bien connue ainsi que l'adaptation d'un moteur à essence en moteur à gaz ; - La carburation mixte essence-hydrogène donnera une souplesse lors de la création du réseau de distribution d'hydrogène. Cette méthode a un inconvénient important : la création, de toutes pièces, d'un réseau de stationsservice d'hydrogène. 3. Dans une pile à combustible (PAC) Une pile à combustible est un générateur électrochimique d'énergie permettant de transformer directement l'énergie chimique d'un combustible en énergie électrique sans passer par l énergie thermique. Elle fonctionne sur le monde inverse de l'électrolyse de l'eau. La pile à hydrogène est une pile à combustible utilisant le dihydrogène (H 2) et le dioxygène (O 2). Il s agit d une combustion électrochimique et contrôlée de dihydrogène et de dioxygène, avec production simultanée d électricité, d eau et de chaleur, selon la réaction chimique de fonctionnement de la pile : 2 H 2 (g) + O 2 (g) = 2 H 2O (l) Pour mettre en œuvre cette réaction, on dispose de deux électrodes l anode et la cathode séparées par un électrolyte (milieu bloquant le passage des électrons mais laissant circuler les ions). Cette réaction est déclenchée en utilisant un catalyseur. L électricité ainsi dégagé alimente un moteur électrique. 3 L'intérêt de cette méthode est sa simplicité technique : elle utilise un moteur à explosion standard auquel on fait subir une transformation de motorisation du même type que celle mise en œuvre pour utiliser le GPL dans un véhicule à essence. Cela nécessitera vraisemblablement quelques autres modifications techniques. Une première expérimentation a été réalisée en 2002 à Lille par l'entreprise H2 Développement. Les grands constructeurs d'automobiles français ne développent pas cette méthode de propulsion. 8/11
Figure 4 : Principe de fonctionnement de la pile à combustible L avantage de cette méthode est qu elle peut être couplée, au niveau du véhicule, avec une propulsion électrique et batterie d'accumulateurs ce qui lui donne une certaine souplesse. L autre avantage de cette méthode en France est que les constructeurs français développent déjà leur expérience de la propulsion électrique. Mais cette méthode a plusieurs inconvénients : - la création, de toutes pièces, d'un réseau de stations-service d'hydrogène ; - Le catalyseur utilisé est du platine, métal rare et onéreux, ce qui rend cette méthode non généralisable. Un des principaux enjeux est donc de réduire les besoins en platine pour la production de PAC (c'est un objet de recherche actuel) ; - Le couplage avec la propulsion électrique n'est pas généralisable à cause de la composition chimique des accumulateurs (c'est un objet de recherche actuel) - Les 2 types de propulsion pour le même véhicule lui confèrent un poids important. Pour ces 3 méthodes d utilisation, le camion-citerne alimentant les stations-services est inopérant sur des distances importantes à cause du poids des emballages de l'hydrogène. En revanche, la perspective de production électrique décentralisée permet d'imaginer des productions d'hydrogène décentralisées installées autour des stations-services par exemple en bord d'autoroute. 9/11
IV. Quel potentiel à long terme? 1. Une filière française qui s organise Majoritairement tournée vers l export, la filière française de l hydrogène s organise. Elle est structurée autour de plusieurs acteurs clefs tels que Total, Air Liquide, GDF Suez et Helion (filière d Areva) et compte aussi de nombreuses PME, toutes regroupées autour de l association française de l hydrogène et des piles à combustible (AFHYPAC) sous l égide du ministère de l Ecologie. Cette association, soutenue par l Etat, a vocation à organiser la filière nationale, développer la recherche, la formation des acteurs et les investissements pour cette innovation, et enfin, participer à la normalisation et à la construction du cadre réglementaire. Cette filière naissante est soutenue par l Etat à travers les investissements d avenir gérés par l ADEME et des programmes spécifiques tels que le programme véhicule du futur ou les véhicules routiers à hydrogène. Plusieurs centres de recherches travaillent sur cette technologie comme le CEA, le CNRS et l IFP. Cependant, la France a clairement choisi de privilégier la mobilité électrique sur la filière hydrogène, ce qui explique les écarts de développement de la filière par rapport aux exemples allemands ou nordiques. Ainsi, le plans H 2 mobility en Allemagne et en Angleterre préconise un engagement fort du gouvernement et la mise en place d une structure qui coordonne les acteurs privés, publics et la recherche. Ce programme a pour ambition de développer un réseau performant de stations en Allemagne : 159 en 2013, 500 en 2015 et jusqu à 1000 en 2017. Dans un rapport parlementaire intitulé «L'hydrogène : vecteur de la transition énergétique?», remis lundi 20 janvier 2014 au ministre du Redressement productif, le député Laurent Kalinowski et le sénateur Jean-Marc Pastor, membres de l Office Parlementaire d évaluation des choix scientifiques et technologiques, soulignent les «potentialités énormes» de la filière hydrogène en France, vecteur, selon eux, de la transition énergétique «viable et durable». Du côté des constructeurs, BMW a développé un modèle capable d accueillir autant de l essence que de l hydrogène. D autres modèles, notamment développés par Honda, Ford ou Nissan, fonctionnent grâce à une pile à combustible et ont une autonomie annoncée d environ 500km. Les constructeurs français n ont pas encore pris le virage de l hydrogène pour faire le choix de la mobilité électrique ou de l efficacité énergétique (grâce aux efforts de R&D de Nissan, Renault est néanmoins doté d une certaine expertise dans le domaine). En France, le choix de la filière électrique est une suite logique du nucléaire. 2. Une chance pour les territoires? Jean-marc Pastor avance que «pour être durable et économiquement compétitive, la production d hydrogène devra s effectuer principalement de façon décentralisée dans les territoires au plus près des besoins». En effet, si les techniques de production et de stockage s affinent et deviennent plus rentables, on pourrait imaginer une production énergétique décentralisée bénéfique pour notre 10/11
indépendance énergétique et pour l économie de nos territoires. Couplée à des énergies renouvelables décentralisées, la production d hydrogène peut réellement s ancrer dans l économie de nos territoires et participer à la transition et décentralisation énergétique. Cet aspect est notamment appuyé par une étude menée pour l ADEME 4 qui tente d évaluer les impacts environnementaux du puits à la roue de la mobilité hydrogène. Les scénarios qui y sont analysés représentent les principales filières technologiques actuellement à l étude : le reformage centralisé à partir de méthane (fossile), l électrolyse alcaline centralisée à partir d électricité de réseau, le reformage décentralisé de biogaz et l électrolyse PEM à partir de renouvelable (ici éolien). Cette étude pointe la moindre efficacité des productions centralisées (les deux premiers scénarios étudiés) qui exigent des transports lourds et énergivores pour acheminer le gaz sous pression aux points de distribution : les auteurs avancent un ratio de 100 kg d acier nécessaires pour transporter 1kg d hydrogène. Une production ancrée dans les territoires et alimentée par des sources d énergie renouvelable représente donc un idéal pour proposer une mobilité hydrogène réellement pertinente et sobre en carbone. Conclusion L augmentation prévisible du prix des hydrocarbures associée à la nécessité de réduire l empreinte carbone nationale et les impacts de la pollution de l air sont susceptibles de stimuler le développement de la filière hydrogène dans les transports. Celle-ci est néanmoins confrontée à de nombreux défis : - Un défi économique de réduction des coûts de production, de fabrication des PAC (avec une diminution des besoins en platine, extrêmement couteux) et le développement de suffisamment de débouchées liées à l hydrogène pour amortir les investissements dédiés à la recherche et au déploiement d un réseau de distribution. - Un défi de sécurité par rapport à la gestion des risques d explosion, d incendie et de fuite. - Un défi environnemental afin de s assurer que la production d hydrogène soit sobre en carbone et que la filière confirme son argument climatique. - Un défi sociétal afin de faire accepter l hydrogène comme un carburant parmi d autres. - Un défi politique pour fixer le cap de la mobilité durable, choisir quel mix énergétique s adapte mieux aux spécificités nationales et décider d investissements efficaces et efficients. Le développement de deux réseaux en parallèle, l un électrique, l autre à l hydrogène, représentera nécessairement un coût prohibitif et imposera aux décideurs publics de trancher. 4 Une étude d analyse de cycle de vie de la mobilité hydrogène réalisée en 2013 par ENEA Consulting en partenariat avec Quantis pour le compte de l ADEME. Rédaction de B. Verzat et L. Bodineau. 11/11