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11/12/2019

Production d’hydrogène bas carbone et renouvelable : des technologies prometteuses et des stratégies différenciées

Note de lecture : Les analyses proposées dans cet article s’appuient sur le croisement des sources citées à la fin de cette page.

L’Agence Internationale de l'Énergie déclarait dans le rapport The Future of Hydrogen publié en juin 2019 que “le temps est venu d’exploiter le potentiel de l’hydrogène pour jouer un rôle clé dans un futur énergétique propre, sûr et abordable”. Près de 60 millions de tonnes, soit l’équivalent plus de 2 300 TWhPCS d’hydrogène sont aujourd’hui consommés dans le monde, principalement dans l’industrie. La quasi-totalité de cet hydrogène est actuellement produit de manière carbonée : 76% provient du gaz naturel, pour un bilan carbone de 9 à 10 kgCO2/kgH2 et 23% du charbon, pour 13 à 17 kgCO2/kgH2. Produit de manière décarboné, l’hydrogène pourrait cependant remplacer à terme les énergies fossiles dans les secteurs du transport, de la production de chaleur et d’électricité et aider au stockage des énergies renouvelables variables. Plusieurs méthodes de production d’hydrogène propre ont franchi le stade de l’industrialisation ou sont sur le point d’atteindre ce niveau de maturité. Leur développement reste toutefois conditionné à des facteurs technico-économiques (compétitivité économique par rapport aux solutions carbonées, disponibilité des ressources) et politiques (stratégies nationales, acceptabilité sociale) qui seront déterminants pour l’avenir de la filière.

Cet article propose un aperçu (non exhaustif) des technologies de production décarbonée les plus avancées et prometteuses et identifie les facteurs technico-économiques qui favoriseront ou non leur développement respectif. Cette analyse est ensuite mise en perspective avec les stratégies des pays producteurs et croisée avec une cartographie des projets qu’ils soutiennent.

Des nouvelles technologies de production d’hydrogène prometteuses pour une substitution de l’hydrogène « gris »

Pour l’heure, l’hydrogène est majoritairement produit à partir de ressources fossiles (qualifié alors d’hydrogène gris). Ces technologies permettent d’atteindre le coût de production le plus compétitif : environ 1,5 €/kgH2 pour le vaporeformage du méthane, la méthode aujourd’hui la plus utilisée. Elles sont cependant fortement émettrices de CO2, de l’ordre de 9 à 10 kgCO2/kgH2 dans le cas du vaporeformage du méthane.

Des initiatives se sont cependant multipliées ces dernières années pour développer de nouveaux usages et moyens de production “propres” à grande échelle. Pour l’Europe seule, Gas in Focus, l’observatoire de la filière gazière de GRTgaz et de Sia Partners, fait état en 2019 d’environ 200 projets de démonstrateurs et de recherche dans le domaine de l’hydrogène. Ces projets sont aujourd’hui soutenus par les autorités publiques et par la perspective de voir apparaître à terme une demande en hydrogène non émetteur de gaz à effet de serre pour des usages matures ou en développement.

Deux grandes catégories d’hydrogène propre peuvent être définies, selon leurs conditions de production :

  • Hydrogène renouvelable (ou hydrogène vert) : hydrogène produit à partir de ressources renouvelables (ex : production par électrolyse de l’eau à partir d’électricité d’origine renouvelable)
  • Hydrogène bas carbone (ou hydrogène bleu) : hydrogène produit dans des conditions rejetant significativement moins de gaz à effet de serre qu’avec les procédés de production traditionnels (ex : reformage du méthane intégré dans une chaîne de capture et de séquestration ou de réutilisation du CO2)

Les fiches ci-dessous exposent les technologies de production d’hydrogène renouvelable, décarboné et bas carbone les plus matures. Une classification sommaire de ces différentes technologies est proposée à la suite de ces présentations.

 

 

Ces différentes méthodes de production d’hydrogène demeurent cependant plus coûteuses que les techniques traditionnelles, recourant au gaz ou au charbon et sans capture du CO2. En dehors de cas présentant un contexte particulièrement favorable (financement public, besoins décentralisés, non accessibilité des infrastructures gazières, etc.), le contexte de marché n’est pas encore propice au déploiement massif de ces nouveaux modes de production. De façon générale, plusieurs conditions restent à réunir, parmi lesquelles :

  • La baisse des coûts des nouvelles techniques de production d’hydrogène, pour gagner en compétitivité face aux méthodes traditionnelles et carbonées. Des actions de R&D et la construction de démonstrateurs ou de pilotes industriels seront à cet égard nécessaires. Les technologies d’électrolyse de l’eau pourront par ailleurs bénéficier d’une forte baisse du coût des énergies renouvelables. La hausse du prix du carbone jouera également  un rôle clé en désavantageant les techniques traditionnelles de production d’hydrogène ;
  • La progression d’une demande en hydrogène propre, afin de remplacer l’hydrogène décarboné dans l’industrie pour ses usages actuels, ou pour de nouveaux usages (ex : mobilité, valorisation par injection dans les réseaux de gaz naturel, production de chaleur dans l’industrie, réduction du minerai de fer dans la sidérurgie, …) ;
  • La constitution de nouvelles chaînes logistiques (infrastructures de stockage, de transport et de distribution d’hydrogène)

Ces critères n’étant à ce jour que rarement réunis, la robustesse des modèles d’affaires des premières chaînes production-acheminement-consommation d’hydrogène bas carbone ou renouvelable dépendra du niveau de soutien accordé par la puissance publique et de l’ambition politique affichée par les gouvernements.

 

Une pluralité de stratégies de déploiement des nouveaux modes de production d’hydrogène

L’examen des stratégies nationales permet de se rendre compte des divergences quant à la nature de l’hydrogène à soutenir dans le cadre de la mise en œuvre de la transition énergétique. Les exemples de politiques présentées ci-dessous illustrent cette diversité de parti-pris :

 

France : Un soutien public sélectif vers certaines technologies particulières

En France, la loi relative à l’énergie et au climat du 8 novembre 2019 fixe dans le code de l’énergie un objectif de développement de « l‘hydrogène bas-carbone et renouvelable [...] avec la perspective d'atteindre environ 20 à 40 % des consommations totales d'hydrogène et d'hydrogène industriel à l'horizon 2030 » (article 1er). Mais dans le même temps, la loi habilite le gouvernement à prendre par voie d’ordonnance des mesures visant à définir un cadre de soutien tourné de manière exclusive vers « l'hydrogène produit à partir d'énergie renouvelable ou par électrolyse de l'eau à l'aide d'électricité bas-carbone » (article 52). Ces dispositions marquent ainsi une préférence du législateur pour le soutien à certaines technologies de production, au détriment d’autres technologies basées par exemple sur le reformage du gaz naturel avec capture et séquestration du CO2. Elles n’excluent cependant pas la possibilité pour le gouvernement de soutenir d’autres modes de production, via des mesures complémentaires (ex : financement suite à des appels à projet).

Union Européenne : Une préférence marquée pour l’hydrogène renouvelable

Le financement des projets via le FCH JU, un partenariat public-privé regroupant la Commission européenne et les industriels des filières liées aux technologies de l’hydrogène est aujourd’hui le principal outil opérationnel dont dispose l’Union Européenne pour financer des projets de développement dans le domaine de l’hydrogène. Or, les fonds accordés dans le cadre des appels à projets du FCH JU se destinent spécifiquement vers les projets en lien avec le développement de l’hydrogène renouvelable. De même, la déclaration « Hydrogen Initiative », signée à Linz en septembre 2018, proclame la volonté de ses signataires (28 États membres de l’Union Européenne et près de 100 industriels, organisations et institutions) de maximiser le potentiel des “technologies d’hydrogène durable” pour la décarbonation de multiples secteurs, des systèmes énergétiques et pour la sécurité énergétique de long terme de l’Union Européenne. Elle insiste plus particulièrement sur le rôle de l’hydrogène renouvelable dans la transition énergétique. Ces orientations au niveau européen n’empêchent cependant pas les États-membres de soutenir de manière individuelle des projets tournés vers des technologies de production d’hydrogène non renouvelable, dans des conditions respectueuse du droit européen.

Australie : Une stratégie tournée vers le déploiement d’hydrogène renouvelable et bas carbone

La stratégie nationale australienne de l’hydrogène, dévoilée en novembre 2019 par le gouvernement australien, fixe parmi ses indicateurs de réussite le développement d’une industrie “propre” de l’hydrogène, entendue comme une industrie bas carbone satisfaisant les attentes des communautés et des consommateurs. Cet objectif laisse la porte ouverte à une production d’hydrogène bas carbone recourant à des ressources non renouvelables, telles que le charbon très abondant en Australie, en combinaison avec des chaînes de capture et de séquestration ou réutilisation du CO2.

États-Unis : Des incitations fiscales favorables à une production d’hydrogène par gaz naturel, combinée à des chaines CCS/CCU

Aux États-Unis, la réduction fiscale dite “45Q” s’applique aux projets de capture et de séquestration du CO2 dans des réservoirs géologiques, ou d’utilisation du CO2 à des fins industrielles sous certaines conditions. La valeur du CO2 retenue dans ce cadre est actuellement comprise entre 18 et 29 $/tCO2. La réglementation actuelle prévoit de la porter d’ici 2026 à 35 $/tCO2 pour des utilisations à des fins industrielles sous certaines conditions et à 50 $/tCO2 pour un stockage dans un réservoir géologique. Cette mesure peut notamment s’appliquer à des procédés de production d’hydrogène bas carbone.

Japon : Un objectif de baisse du coût de l’hydrogène, impliquant l’importation d’hydrogène bas carbone

La feuille de route japonaise pour l’hydrogène et les piles à combustible a été adoptée en 2014 et revue en mars 2019 par le Conseil pour une stratégie de l’hydrogène, regroupant le gouvernement, des industriels et des acteurs du monde académique. Elle vise à définir les jalons préalables à la mise en œuvre d’une « société de l’hydrogène ». La stratégie japonaise fixe notamment un objectif de baisse du coût de l’hydrogène à 30 yen/Nm3 (environ 3 €/kg) pour 2030 et à 20 yen/Nm3 (environ 2 €/kg) au-delà. Cette cible pourra être atteinte par le développement de nouvelles voies d’approvisionnement, incluant l’importation d’hydrogène produit à bas coût par la valorisation de ressources fossiles combinée à des techniques de capture et de séquestration du carbone. Des projets avec l’Australie et l’Arabie Saoudite sont à l’étude.

La cartographie ci-dessous présente une liste non exhaustive de projets et de visions visant au déploiement de différentes technologies de production d’hydrogène en Europe, en Amérique du nord et en Australie. Ces exemples mettent en évidence la diversité des stratégies mises en œuvre pour le déploiement de nouveaux moyens de production d’hydrogène, les contextes favorables aux différentes visions, ainsi que les degrés divers de maturité des technologies présentées plus haut.

 

 

Le chemin à parcourir pour que l’hydrogène puisse jouer son rôle dans la mise en place d’un futur énergétique décarboné est encore long. Cependant, de premiers jalons ont déjà été posés :

  • Des stratégies nationales se mettent en place dans un nombre croissant de pays pour accompagner le déploiement d’une production d’hydrogène renouvelable et/ou bas carbone.
  • Plusieurs projets de production d’hydrogène propre de taille industrielle verront le jour prochainement. Ces réalisations offriront de précieux retours d’expérience qui permettront de fortes réductions de coûts, à même de rendre les nouvelles technologies de production d’hydrogène compétitives face aux méthodes de production traditionnelles

Les efforts menés pour le développement de nouveaux usages offriront des débouchés importants et accélèreront le déploiement des technologies de production d’hydrogène bas carbone et renouvelable, réduisant ainsi le coût de ces technologies et encourageant à son tour l’adoption d’usages émergents, selon une boucle vertueuse.

 

Un article écrit par Yann Lesestre, Louis Girard et Théo Fayolle

Sia Partners

Principales sources utilisées

  • Argonne. (2017). R&D Opportunities for Development of Natural Gas Conversion Technologies for Co-Production of Hydrogen and Value-Added Solid Carbon Products.
  • COAG Energy Council. (2019). Australia's National Hydrogen Strategy.
  • CSIRO. (2018). National Hydrogen Roadmap. Pathways to an economically sustainable hydrogen industry in Australia.
  • Hydrogen and Fuel Cell Strategy Council (Japon). (2019). The strategic Road Map for Hydrogen and Fuel Cells.
  • IEA. (2019). The Future Of Hydrogen.
  • IEA bioenergy. (2018). Hydrogen from biomass gasification.
  • IEAGHG. (2017). Reference data Supporting Litterature Reviews for SMR Based Hydrogen Production with CCS.
  • IRENA. (2019). Hydrogen: a Renewable Energy Perspective.
  • Site internet de l'AFHYPAC. (s.d.).
  • Sites internet des porteurs de technologies mentionnées dans l'article. (s.d.).
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