Pourquoi l’hydrogène est nécessaire au futur énergétique de la France ?
Cet article de blog est un résumé de ce problème de vecteur de stockage d’énergie, nécessaire à une France sans énergie fossile ni CO2, tiré de mon livre « Comment réaliser la transition écologique, un défi passionnant » où à peu près tous les sujets écologiques sont abordés en détail.
Electricité
L’électricité solaire et éolienne n’est produite que lorsqu’il y a du soleil ou du vent et doit être couplée à des centrales fossiles gaz, fioul ou charbon afin de produire quand même de l’électricité quand éolien et solaire ne produisent rien.
Dans une économie sans ou avec peu d’énergie fossile, l’électricité utile à la consommation d’électricité doit donc être fournie principalement par du nucléaire et de l’hydraulique. Eolien et solaire peuvent être utilisés pour un autre usage, la production d’hydrogène par électrolyse de l’eau (Les Stations de pompage turbinage, STEP, sont du stockage d’appoint. Quant au stockage par batteries, il faudrait 7 fois la production mondiale de lithium pour stocker deux jours d’électricité en France selon l’Académie des Sciences). Les autres énergies renouvelables n’ont pas de capacité à produire massivement de l’électricité en France, que ce soit la géothermie, le biogaz ou de nouveaux barrages hydrauliques. Elles ne peuvent être qu’un appoint, en tout cas dans un avenir prévisible. Le mix énergétique doit donc être composé principalement de l’hydraulique actuel, de nucléaire, d’éolienne et de solaire.
Les éoliennes et panneaux solaires ont cependant de gros inconvénients écologiques : défiguration des paysages, emprise au sol, énorme masse de béton souterraine pour les éoliennes.
Le choix du mix nucléaire/solaire/éolien doit par conséquent être fait par les Français au cours d’un processus de débat et de référendum. Il engage notre avenir sur 20 ans et un accord par référendum après un débat est le meilleur moyen pour qu’une bonne décision soit prise et acceptée par tous.
La nécessité d’un vecteur de stockage, l’hydrogène.
Penser que notre économie ne puisse comporter qu’une seule énergie de masse, l’électricité, est irréaliste et même dangereux. Que se passerait-il d’ailleurs en cas d’un black-out électrique provoqué par un accident ou par une guerre ? La désorganisation serait totale et les risques énormes si le black-out est difficile à réparer. Il vaut mieux avoir des véhicules résistants au problème. D’autre part, l’électricité se déplace presqu’à la vitesse de la lumière, est perdue donc gaspillée si elle n’est pas immédiatement utilisée (pas de batterie de masse imaginable aujourd’hui). L’hydrogène est le vecteur de stockage d’électricité de masse qu’il nous faut pour récupérer cette électricité gaspillée et assurer une bonne stabilité de notre alimentation énergétique.
Pour produire de l’hydrogène, on fait passer de l’électricité dans de l’eau (électrolyseurs) : la molécule d’eau se transforme en molécule d’hydrogène et molécule d’oxygène. Cette technologie n’est pas un fantasme, elle est au stade industriel[1]. Cet hydrogène sera l’essence de demain[2] et pourra servir à alimenter tous les réseaux de transports : bus, camion, voiture, moto, scooter et avion.
Un petit point nécessaire sur la voiture et le véhicule électrique en général.
Se lancer dans le tout électrique pour l’automobile n’a pas de sens du point de vue de la transition énergétique pour différentes raisons.
A cause de sa batterie, une voiture électrique requiert deux fois plus d’énergie fossile pour sa fabrication qu’un véhicule à essence/diesel. Cette énergie utilisée lors de la construction peut être sans énergie fossile dans le monde de demain. Aujourd’hui, sur l’ensemble du cycle de vie, sa consommation d’énergie fossile est d’environ le tiers d’une voiture essence/diesel dans un pays comme la France dont l’électricité est décarbonée[3]. En revanche, dans des pays comme la Pologne, l’Allemagne ou la Chine où l’électricité est très carbonée, émise à partir de charbon, la voiture électrique n’a aujourd’hui aucun avantage sur la voiture essence ou diesel. Cela clarifie le débat.
Cependant, les problèmes de la voiture électrique restent entiers. Premièrement, la batterie alourdit beaucoup le véhicule et donc sa consommation : la batterie d’une Tesla modèle S pèse 500 kilos quand la voiture à hydrogène n’a pas ce problème. Deuxièmement, tirer partout de fortes quantités d’électricité et rapidement (bornes rapides) pour recharger des dizaines de millions de véhicules électriques nécessitera de renforcer fortement les réseaux électriques ce qui représente un coût très élevé, coût d’autant plus élevé qu’il faudra mettre des prises électriques de puissance, rapides mais couteuses notamment en termes de travaux publics, partout pour les recharger (Sur les trottoirs dans les villes, au bas des immeubles, à la campagne etc.). Sans compter que lorsque tous les automobilistes qui partent en vacances voudront recharger au même moment leur voiture, le réseau électrique de la très fréquentée route entre Paris et Marseille ne sera jamais assez puissant pour tenir. D’ailleurs, avoir assez de bornes de recharge sera complexe pour ces jours de grande circulation comme le démontrent les problèmes actuels en Californie ; les automobilistes peuvent attendre des heures pour recharger leur voiture pendant un voyage et encore faut-il déjà trouver la borne la moins encombrée pour recharger ! Pour une pompe à essence ou à hydrogène où l’on remplit son réservoir en 3 minutes, il faut 10 bornes électriques à haut débit où l’on remplit sa batterie en 30 minutes.
La voiture électrique ne sera pas la voiture écologique de masse. Elle sera probablement utilisée dans des cas marginaux pour les déplacements uniquement dans les villes et quelques autres applications de niche. On voit que les gouvernements par absence de réflexion stratégique nous emmènent dans une impasse. Il serait beaucoup plus intelligent de pousser les constructeurs automobiles à investir dans les voitures hydrogène plutôt que dans les voitures électriques avec bien sûr l’impulsion et l’aide des pouvoirs publics comme pour l’électrique.
C’est justement ce que dit le très respecté PDG de Peugeot, Carlos Tavares. Voilà ses propos relayés par les journaux 20 minutes et Ouest France : « Le monde est fou. Le fait que les autorités nous ordonnent d’aller dans une direction technologique, celle du véhicule électrique, est un gros tournant. Je ne voudrais pas que dans 30 ans on découvre quelque chose qui n’est pas aussi beau que ça en a l’air… Qui traite la question de la mobilité propre dans sa globalité ? … Toute cette agitation, tout ce chaos, va se retourner contre nous parce que nous aurons pris de mauvaises décisions dans des contextes émotionnels. » et « Les gouvernements et les responsables politiques de l’Union européenne sont en train de prendre la responsabilité scientifique du choix de la technologie. »[4]. Voici ce que dit un grand patron, forcément prudent dans ses déclarations concernant des responsables politiques dont il dépend, sur les voitures électriques. Sur la technologie des voitures à hydrogène sur BFM et Automobile Propre, Tavares explique : « C’est une technologie qui nous intéresse vraiment », « je peux vous annoncer qu’en 2021 nous allons faire les premiers tests grandeurs nature de vente de véhicules à hydrogène du groupe PSA ». Le PDG précise : « Les premiers résultats sont très prometteurs donc nous pensons que cette technologie a de l’avenir… »[5]. Encore faudrait-il que l’Etat s’appuie sur et appuie ces grands industriels pour délivrer des voitures à hydrogène accessibles.
Pour équilibrer le monde de l’énergie de demain, il faudra bien un vecteur de stockage d’énergie (ce sera comme on l’a vu l’hydrogène) et utiliser les voitures à hydrogène. Précision, les voitures à hydrogène ont un moteur électrique : une pile à combustible transforme l’hydrogène et l’oxygène de l’air en électricité et en eau ; cette électricité est ensuite utilisée dans un moteur électrique classique. Une énergie stockable et propre. A l’appui de cette thèse, la Chine est en train de suivre cette stratégie de développement de l’hydrogène, le Japon voulait faire des JO de 2020, raté à cause du covid, la vitrine des technologies hydrogène[6]. Des véhicules hydrogène sont fabriqués en série par Toyota (mais aussi par Honda, Hyundaï et bientôt Peugeot, Audi et BMW[7]). Le seul problème étant leur prix (environ 60.000 euros) dû au cercle vicieux : cette voiture est trop chère donc on en fabrique peu, on fabrique peu cette voiture donc elle est trop chère. Ce cercle vicieux qui n’est qu’ « une impasse de marché » peut et doit être brisé par des décisions de l’Etat stratège pour lancer rapidement une production de masse à prix raisonnable.
Comment avoir des véhicules hydrogène à prix abordables rapidement et développer la production d’hydrogène ?
Les voitures de série à piles à combustibles sont déjà commercialisées et roulent déjà sur les routes. Remarquons que des trains à hydrogène ont été lancés par l’entreprise française Alstom pour remplacer les trains diesel des petites lignes. Certains sont en service en Allemagne[8]. Un bateau à hydrogène Energy Observer est en train de réaliser un tour du monde. Rien n’interdit de développer des motos, des bus et des camions à hydrogène. Et l’avion à hydrogène est l’avenir de l’aviation, la batterie électrique trop lourde étant totalement inadaptée au transport aérien.
Transformer l’énergie solaire et éolienne, nucléaire inutilisée en hydrogène.
L’électricité nucléaire et/ou l’électricité éolienne et solaire, seront utilisées pour produire de l’hydrogène. Des électrolyseurs géants permettront de convertir l’électricité en hydrogène. Installer dans chaque département, ils combineront l’avantage de créer de l’emploi dans les campagnes et petites villes françaises tout en rapprochant la production d’énergie de sa consommation.
Des entreprises ont développé ces électrolyseurs, elles n’attendent qu’un marché pour les installer massivement.
Comment marche un électrolyseur ?
On fait circuler de l’électricité entre deux électrodes placées dans l’eau. Cette électricité décompose l’eau en hydrogène et oxygène. La perte d’énergie est de 40% selon le CNRS.
Schéma de l’électrolyse de l’eau pour fabriquer de l’hydrogène à partir d’électricité
Le transport de l’hydrogène.
L’hydrogène peut être transporté par camion-citerne ou par pipeline. 1500 kilomètres de pipeline d’hydrogène ont déjà été construits et sont utilisés en Europe.
Le stockage de l’hydrogène
L’industrie chimique a l’habitude d’utiliser l’hydrogène. L’hydrogène est stocké dans des bouteilles sous forte pression (350 bars). Ce procédé est utilisé et donc testé depuis 20 ans.
L’utilisation de l’hydrogène
L’hydrogène peut être brûlé comme l’essence dans des moteurs à explosion ou dans des chaudières. Mais, il est plus efficace et plus sûr de transformer cet hydrogène en électricité dans des piles à combustibles. La réaction est l’inverse de celle de l’électrolyseur.
Le rendement de l’hydrogène dans le cycle.
Transformer l’électricité en hydrogène, puis l’hydrogène en électricité et finalement utiliser cette électricité dans un moteur électrique a un rendement global de 32,4% : 60% de rendement de l’électrolyseur par 60% de rendement de la pile à combustible par 90% de rendement du moteur électrique font bien 32,4%. Ce rendement est équivalent à celui de l’essence et du diesel dans un moteur classique. La classique réponse est : « c’est moins bon que la voiture électrique donc on ne doit pas l’utiliser » amène naturellement cette réponse. Un : oui c’est vrai mais la voiture électrique pose de nombreux problèmes presqu’insolubles (coût pour les réseaux électriques, bornes rapides en nombre suffisantes et les travaux publics innombrables nécessaires, problème des jours de vacances et du rechargement …). Deux : l’hydrogène permet d’utiliser l’électricité gaspillée, inutile à un moment donné et de la stocker, disposer d’une seule source d’énergie est irréaliste et dangereux.
Le coût du carburant hydrogène est-il compétitif ?
France stratégie, le Think Tank du gouvernement français donne un coût de l’hydrogène produit dans de grands électrolyseurs de 4 euros par kilos[9]. Une étude conjointe du CNRS, de l’école polytechnique et de l’INRA donne un coût de 4,5 euros par kilos et un coût de transport/distribution de 2 euros par kilos[10]. La marge de la station-service de quelques pourcents comme pour les stations essence actuelles est négligeables. Ce prix de 6,5 euros est un maximum car il n’est pas pris en compte l’économie d’échelle due à un Etat stratège, chef d’orchestre. Les 2 euros de coût de transport/distribution seront bien abaissés ; le transport d’hydrogène se fera de manière optimale avec une implantation centrale dans les départements des unités de production ; le prix d’achat de l’électricité pour produire de l’hydrogène sera faible (électricité nucléaire dont une partie importante aujourd’hui inutilisée la nuit donc au prix de revient faible ou électricité solaire et éolienne beaucoup moins cher que lors de la réalisation des calculs). Le prix de l’hydrogène à la pompe (certes fabriquée par gaz naturel) est d’ailleurs aujourd’hui en Allemagne de 9,5 euros le kilo ce qui démontre le réalisme de ces projections[11]. Des sources internes d’EDF m’ont cité un objectif cible accessible de 5 euros par kilogramme.
La Toyota Mirai, véhicule de série à hydrogène, affiche une consommation de 0,76 kilo d’hydrogène pour 100 km. Même sur la base d’un coût de l’hydrogène à la pompe de 6,5 euros par kilos, les 100 km coutent environ 5 euros. Pour une voiture à essence consommant 7 litres aux cent avec un prix de l’essence de 1,5 euros par litre, 100 km coûtent 10,5 euros, le double. Avec de l’hydrogène produit en masse, le carburant hydrogène coutera moins cher que l’essence et l’Etat français aura même la possibilité de le taxer comme l’essence (je plaisante !). Si ce n’est pas le cas, les taxes de TIPP manquantes seront compensées par le fait que l’électricité et l’hydrogène seront fabriqués en France et amèneront des recettes fiscales et des cotisations sociales très importantes alors que le pétrole est extrait à l’étranger et n’amène pas de recettes et de cotisations pour sa production.
Les voitures à pile à combustible sont-elles dès aujourd’hui abordables ?
Non. La référence des voitures à pile à combustible est la Toyota Mirai qui existe depuis maintenant 5 ans. Son autonomie est de 600 kilomètres avec son réservoir de 5 kilos d’hydrogène. Son prix est élevé (60.000 euros soit le double d’une voiture électrique) car elle est produite en très petite série (3000 par an) et étant produite en petite série son prix est élevé. Le département de l’énergie américain a prévu que la partie chère de la voiture à hydrogène, la pile à combustible coûte 2000 euros quand elle sera produite à 500.000 exemplaires, rendant la voiture hydrogène très compétitive.
Comment passer à un prix raisonnable de la voiture à pile à combustible ?
L’objectif simple est de passer à un modèle de production en grande série qui permette des prix beaucoup plus bas.
Comment faire ?
Nous avons 2 choix. Laisser faire « le marché », et attendre 20 ans que les prix des voitures à pile à combustible baissent, lentement mais surement, comme on l’a fait avec les voitures électriques. Il faudra donner des subventions du gouvernement élevées d’un minimum de 10.000 euros par voiture comme pour la Renault Zoé pour aider le marché à décoller. Lent et cher.
L’autre choix est de satisfaire le désir des citoyens des grandes villes et de leurs banlieues aisées comme Paris, Lyon, Bordeaux, Nice, Grenoble, Strasbourg, Nantes (etc.) d’avoir un air propre, sans particules fines.
L’Etat fixe avec les constructeurs automobiles une date déclencheur (dans 5 à 7 ans) ou les seules voitures neuves autorisées à l’achat dans ces grandes villes seront des voitures propres, à hydrogène (ou électriques)[12]. Le système doit favoriser l’hydrogène beaucoup plus vertueux pour l’avenir énergétique du pays dans son ensemble.
Une telle utilisation de l’Etat stratège, permet d’avoir instantanément des volumes importants et donc des prix abordables pour les voitures à hydrogène. La montée en puissance sur 5/7 ans pour découvrir puis roder les chaines de fabrication des constructeurs se fait comme toujours avec des subventions à l’achat, des voitures de société hydrogène détaxées et tous les mécanismes traditionnels. C’est exactement ce qu’a fait la Chine pour que les scooters électriques remplacent les scooters diesel/essence dans les grandes villes[13]. Et cela a parfaitement fonctionné : quelques années après, les scooters sont tous électriques dans les grandes villes chinoises.
En cette période anti Etat, certains trouveront ce plan dirigiste mais les solutions actuelles sont nettement plus dirigistes : c’est l’interdiction de circulation qui menace partout (périphérique prévu à 2 voies et 50 km/h, vitesse de 30 km/h prévue dans les métropoles et multiplication des interdictions de voitures en ville …)
Les coûts des stations-services sont-ils un problème ?
Au Japon, ou les normes sont les plus drastiques, le coût des stations-services hydrogène est d’environ 3 millions d’euros. Il y a une centaine de stations-services. L’Allemagne en compte 43.
La France compte environ 10.000 stations-service classiques. L’investissement initial pour les grandes villes sera relativement faible de l’ordre du milliard d’euros. L’investissement se fera ensuite dans le temps. Avec les économies d’échelle, un coût (investissement) maximal de 10 milliards d’euros est probable. Ce n’est rien du tout par rapport à l’enjeu !
Train, bus, camions, motos et avions à hydrogène.
Alstom produit déjà des trains à hydrogène qui sont aujourd’hui vendus … en Allemagne. Remplacer toutes les locomotives diesel par des locomotives hydrogène sur les lignes non électrifiées de France serait un bon moteur de développement de l’industrie hydrogène. Les bus à hydrogène du secteur public peuvent aussi être une rampe de lancement. Enfin, le puissant groupement de l’aéronautique français, le GIFAS, affirme qu’un avion à hydrogène peut être lancée dès 2035[14]. Un formidable marché pour l’avion sans CO2 alors que l’aviation est menacée par les « opposants écologistes ».
Conclusion :
La France doit-elle faire un tel pari ? Un plan de cette envergure doit être révisé et revu de façon objective chaque année pour vérifier que le chemin et le rythme restent bons. Je proposai déjà ce plan massif sur la voiture à pile à combustible en 2014 dans mon livre publié chez Fayard « la transition énergétique, une énergie moins chère et un million d’emplois créés ». En 2016, le Japon a fait de l’hydrogène un objectif clé : devenir la première « société hydrogène » au monde [15][16] avec comme premier objectif les JO de 2020. Un haut responsable chinois a aussi déclaré en 2019 vouloir créer la première société de l’hydrogène[17] et un plan gouvernemental d’envergure a été lancé. Nous ne serons pas seuls. La France est capable de le faire et de le faire très bien : c’est ce qu’avait prouvé la réussite du plan des années 70 visant à basculer de l’électricité fossile à l’électricité nucléaire en France en 20 ans. Nous étions capables de réaliser un programme énorme de production d’électricité sans CO2 en 20 ans, pourquoi serions-nous incapables aujourd’hui alors que l’enjeu est énorme : c’est le climat et la capacité à ne plus polluer, le problème du difficile accès actuel aux ressources énergétiques comme le pétrole qui est en jeu.
J’ai dans mon premier livre « La transition énergétique, une énergie moins chère » parler de ce sujet dès 2014 et j’en ai reparlé dans le livre beaucoup plus complet sur tous les thèmes de l’écologie « Comment réaliser la transition écologique, un défi passionnant ? » en 2020. Soyons objectif, je suis une des rares personnes en France parmi les penseurs de la transition énergétique à affirmer et démontrer que l’hydrogène est nécessaire. En France seulement puisque Japon, Chine et Allemagne maintenant pensent différemment. D’ailleurs des gigantesques plans d’investissement dans l’hydrogène sont faits partout dans le monde que ce soit par les Etats ou les investisseurs privés. Par exemple, l’Allemagne a dévoilé qu’elle va investir 33 milliards d’euros dans 62 projets hydrogène[18]. L’Allemagne lance une flotte pilote de 14 trains à hydrogène fournis par le Français Alstom[19]. Qu’attendons-nous donc pour nous lancer ? Que tous les pays l’aient compris et nous aient devancé ? La France et son Etat stratège peuvent être très efficace en ce domaine, comme ils l’ont été dans le domaine des centrales nucléaires il y a 30 ans de cela. Ce serait dommage de rater le coche alors que l’emploi, la prospérité, l’indépendance nationale et le climat sont en jeu.
[1] Lire «Les techniques de production au stade industriel » page 15 du rapport de l’Institut National de l’Environnement Industriel et des Risques page 15 à 21 sur l’hydrogène https://www.ineris.fr/sites/ineris.fr/files/contribution/Documents/Techniques_prod_H2_web.pdf
[2] Si par chance, nous découvrons demain des batteries très efficaces permettant de stocker de grandes quantités d’électricité à moindre coût, il sera toujours possible de changer de modèle énergétique, de se passer des électrolyseurs et de rééquilibrer vers l’électrique. Ceci est aujourd’hui hautement spéculatif.
[3] Source ADEME, Science et Avenir, https://www.ademe.fr/sites/default/files/assets/documents/avisademe-vehicule-electrique.pdf https://www.sciencesetavenir.fr/nature-environnement/pollution/les-voitures-electriques-sont-elles-polluantes_128241
[4] « Oui, le patron de PSA a bien exprimé des réserves sur l’essor de la voiture électrique (qu’il fabrique) », 20 minutes https://www.20minutes.fr/economie/2360899-20181025-oui-patron-psa-bien-exprime-reserves-essor-voiture-electrique-fabrique
[5] « Les constructeurs français misent sur l’hydrogène… pour leurs utilitaires », BFM et « Carlos Tavares : entre hydrogène et période agitée chez PSA », Automobile propre https://auto.bfmtv.com/actualite/les-constructeurs-francais-misent-sur-l-hydrogene-pour-leurs-utilitaires-1791833.html et https://www.automobile-propre.com/breves/carlos-tavares-entre-hydrogene-et-periode-agitee-chez-psa/
[6] https://bfmbusiness.bfmtv.com/entreprise/voiture-a-hydrogene-la-chine-lance-son-grand-bond-en-avant-1714043.html et http://premium.lefigaro.fr/societes/2019/02/21/20005-20190221ARTFIG00218-le-japon-veut-faire-des-jeux-de-2020-la-vitrine-de-la-pile-a-combustible.php
[7] « Voiture, l’hydrogène s’invite à bord », Paris Match ( Sic !) https://www.parismatch.com/Vivre/Auto-Moto/Voiture-L-hydrogene-s-invite-a-bord-1619316
[8] « Le premier train à hydrogène entre en exploitation en Allemagne » Le Parisien http://www.leparisien.fr/economie/allemagne-le-premier-train-a-hydrogene-entre-en-exploitation-17-09-2018-7891488.php
[9] https://www.strategie.gouv.fr/sites/strategie.gouv.fr/files/atoms/files/201-08-06na-fs-hydrogene-hd.pdf
[10] https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-01116997/document
[11] https://www.turbo.fr/toyota/mirai/essai-auto/essai-toyota-mirai-2015-1972
[12] Les ventes de voitures neuves en France sont d’environ 2 millions de véhicules par an. Pour les grandes métropoles et banlieues favorisées, les ventes sont au dessus de 300.000 véhicules par an.
[13] « Comment les deux roues électriques se sont imposés sur le pavé chinois » https://www.lesechos.fr/2016/11/comment-les-deux-roues-electriques-se-sont-imposes-sur-le-pave-chinois-212785
[14] « Avion 0 carbone en 2035 : « faisable selon les industriels »
https://www.gifas.fr/press-summary/avion-zero-carbone-en-2035-faisable-selon-les-industriels
[15] « La stratégie hydrogène du Japon » Connaissance des énergies https://www.connaissancedesenergies.org/la-strategie-hydrogene-du-japon-181009
[16] « La stratégie de développement de l’hydrogène au Japon » France Stratégie https://www.tresor.economie.gouv.fr/Articles/2017/09/11/la-strategie-de-developpement-de-l-hydrogene-au-japon
[17] « Voiture à hydrogène, la Chine lance son grand bond en avant » BFM Business https://bfmbusiness.bfmtv.com/entreprise/voiture-a-hydrogene-la-chine-lance-son-grand-bond-en-avant-1714043.html