Usage futur de l’hydrogène dans les transports, le Bon, la Brute et le Truand

Edito

Cet article a été rédigé par l’excellente Gabrielle Piot qui sera une des autrices récurrentes de ce média. Elle est consultante en économie circulaire mais aussi fresqueuse, animatrice 2tonnes et tout un tas d’autres choses géniales. Je vous recommande de la suivre sur LinkedIn ! 😉

Introduction

Depuis plusieurs mois, des « solutions » de transport utilisant l’hydrogène fleurissent sur les réseaux sociaux (LinkedIn notamment) : voitures ou taxis à hydrogène, ou même vélo à hydrogène. Sur le papier, la solution a tout d’un miracle : zéro émission, ne rejette que de l’eau, permet de trouver réponse à l’intermittence des énergies renouvelables…

Le transport et l’énergie sont des sujets essentiels lorsque l’on aborde des questions liées au climat. En effet, le secteur de l’énergie représente 73,2% des émissions de GES, qui ont représenté plus de 33 GtCO2eq en 2019. (AIE, 2020) Plus précisément, 16,2% proviennent du transport : 11,9% pour le transport routier, 1,9% pour l’aviation et 1,7% pour le transport maritime. (Ritchie et Roser, 2020) Et, bien que les véhicules électriques aident le transport routier à émettre moins, la décarbonation de ce secteur n’est pas encore une réalité. Alors que près de 80% de l’énergie mondiale provient aujourd’hui des énergies fossiles (Ritchie, 2021), il est urgent d’utiliser des énergies ou des vecteurs énergétiques plus « propres ». 

L’hydrogène peut-il donc être le futur du transport et des mobilités ? Allons-nous « sauver la planète » en ne rejetant que de l’eau ? Explorons un peu la façon dont l’hydrogène (molécule de dihydrogène – H₂), un vecteur énergétique en vogue dans le sujet de la transition énergétique (Evans et Gabbatiss, 2020), peut aider à décarboner le secteur, dans quels usages il peut être utile, et de quelle manière il vaut mieux le produire et l’utiliser.

Contexte

Tout d’abord, l’hydrogène n’est pas une source d’énergie mais un vecteur d’énergie, c’est-à-dire intermédiaire entre une source d’énergie et une utilisation de cette énergie, comme l’électricité. Ainsi, de l’énergie est nécessaire pour produire de l’hydrogène et l’utiliser : le dihydrogène natif est rare, l’homme a donc besoin d’en produire. (Evans et Gabbatiss, 2020)

a) Moyens de production

Plusieurs technologies sont disponibles pour produire de l’hydrogène, comme le vaporeformage du méthane, la gazéification du charbon, la gazéification de la biomasse, le pétrole et l’électrolyse.

Tout d’abord, 76% de l’hydrogène dédié est produit à partir du gaz dit « naturel » (le fameux gaz fossile), principalement composé de méthane. (AIE, 2019a) Cependant, cette réaction nécessite une température et une pression élevées pour être réalisée. (Parkinson et al., 2019) Cette méthode libère donc jusque 13,7 kg CO₂eq/kg H₂, si l’on tient compte des émissions fugitives. (Alhamdani et al., 2017).

Ensuite, 23% de l’hydrogène dédié est fabriqué à partir de la gazéification du charbon – et appelé « hydrogène gris ». (Allen, 2018) Cette méthode de production est encore plus polluante que le vaporeformage du méthane, car elle libère environ 19 kg CO₂eq/kg H₂ si aucune technologie de capture, stockage et utilisation du carbone n’est utilisée (CCUS). (AIE, 2019a)

Vous l’aurez compris, les autres méthodes de production (électrolyse comprise) sont très marginales. Ainsi, la production d’hydrogène spécifique nécessite aujourd’hui 275 Mtep de gaz, de charbon, de pétrole et d’électricité, pour produire environ 69 MtH₂ [figure 1]. De plus, 99 % de l’hydrogène utilisé de nos jours est fabriqué à partir de combustibles fossiles, de sorte que sa production est très polluante : la production d’hydrogène dédiée émet 830 MtCO₂eq/an. (Evans et Gabbatiss, 2020)

b) Utilisations

L’hydrogène peut être utilisé pur – avec de faibles niveaux d’additifs – ou dans des mélanges de gaz. Cependant, malgré l’énorme enthousiasme que suscite l’hydrogène dans les transports, il ne représente qu’une très faible part du total : moins de 0,01 Mt H₂ pur est dédié aux transports (demande totale = 73 Mt). [figure 1]

En effet, la demande est aujourd’hui principalement destinée au raffinage des produits pétroliers et à la production d’ammoniac. En outre, la production d’éthanol et celle d’acier utilisent également de l’hydrogène. De plus, ces secteurs devraient augmenter leur demande d’hydrogène dans un avenir à court terme au moins, en raison de la demande prévue dans ces secteurs et de la nécessité de la « décarbonation ». (AIE, 2019a)

Améliorations à l’étude

a) Production d’hydrogène

Bien que l’hydrogène soit un vecteur énergétique prometteur, les principaux problèmes résident dans sa production. Par conséquent, lorsqu’on étudie les améliorations à apporter à l’hydrogène, la priorité est de s’attaquer à sa production.

Il est en effet possible de fabriquer de l’hydrogène grâce à l’électrolyse de l’eau, nécessitant environ 50 kWh/kg H₂ (AIE, 2019a) : (le contraire d’une pile à combustible). Cela paraît intéressant sur le papier, mais n’oublions pas que sa « propreté » dépend de celle de l’électricité : les émissions indirectes pour le nucléaire et les énergies renouvelables sont généralement de l’ordre de 1 à 2 kg CO₂eq/kg H₂, mais peuvent atteindre 40 kg CO₂eq/kg H₂ pour le charbon. (Parkinson et al., 2019) Ce moyen de production est d’ailleurs déjà utilisé et, comme l’hydrogène dans les transports, fait beaucoup de bruit pour une utilisation marginale (moins de 2Mtoe sur 273Mtoe) [figure 1].

Compenser l’intermittence des énergies renouvelables en alimentant l’électrolyse de l’eau permettrait de produire de l’hydrogène bas carbone et de contribuer à résoudre simultanément les problèmes de batteries. Cependant, la principale limite est son prix, qui n’est pas encore assez compétitif face au reformage du méthane ou à la gazéification du charbon. (Département américain de l’énergie, nd a)

Néanmoins, si les moyens de production basés sur les combustibles fossiles sont encore utilisés à l’avenir, les technologies CCUS seront nécessaires. Si l’on veut maintenir des prix et des émissions bas, l’une des meilleures solutions est la gazéification du charbon, couplée au CCUS. Toutefois, bien que cette solution atténue les émissions, elle ne réduit en rien la dépendance à l’égard des combustibles fossiles. De plus, ce n’est pas la solution la moins émettrice, car l’électrolyse  » verte  » peut descendre à 0-0,4kgCO2/kgH2. (Parkinson et al., 2019)

Dans tous les cas, si l’hydrogène doit être utilisé pour aider à décarboner certains secteurs, il faut améliorer les moyens de production pour qu’ils soient moins émetteurs, et ainsi ne pas déplacer le problème de la pollution de l’usage vers la production du vecteur énergétique. (Florette et al., 2020) Cela ne ferait qu’extérioriser le problème en nous faisant croire que les pratiques sont durables et vertueuses.

b) Utilisation dans les transports

Même si le secteur des transports s’électrifie pour réduire les émissions de GES, cette solution n’est pas idéale pour tous les moyens de transport. En effet, les principaux inconvénients des véhicules électriques sont leur autonomie et leur temps de recharge, ce qui ne convient pas vraiment aux transports lourd, maritime et aérien. Par conséquent, l’hydrogène et l’électricité doivent se compléter pour le secteur des transports, et l’hydrogène devrait contribuer à décarboner les transports lourds et de longue distance. (RTE, 2020)

Pour les camions tout d’abord, les véhicules électriques à pile à combustible (FCEV) convertissent l’hydrogène en électricité et en eau. La majeure partie de l’électricité est utilisée, et une petite partie est stockée dans des batteries, ainsi que l’électricité générée grâce au freinage. (Bae Systems, 2022)

Le principal avantage est que l’utilisation de l’hydrogène comme carburant n’émet pas de GES ni de particules polluantes. De plus, l’hydrogène permet également aux camions d’avoir une batterie beaucoup plus petite par rapport aux BEV (Battery Electric Vehicles – Véhicules à batterie électrique), mais aussi une autonomie comparable à celle d’un camion diesel et de faire le plein plus rapidement, ce qui est utile au transport routier de marchandises. (Gray et al., 2021)

Ensuite, le transport maritime pourrait également utiliser l’hydrogène pour se décarboner, car il émet actuellement environ 940 MtCO2eq/an, est principalement alimenté par des produits pétroliers et devrait tripler d’ici 2050. (AIE, 2019a)

Cependant, l’hydrogène comme carburant pour le transport maritime nécessite des conditions particulières : l’hydrogène doit être stocké sous forme de gaz comprimé – sous une pression de 700bar – ou sous forme liquide – autour de -252°C. (Gray et al., 2021) (IEA, 2019a) Par conséquent, une solution prometteuse consiste à utiliser l’hydrogène pour produire de l’ammoniac – NH3 -, qui est beaucoup plus dense, donc prend moins d’espace de stockage que l’hydrogène. Bien que l’ammoniac soit toxique pour les organismes vivants et pose donc d’autres problèmes, il pourrait réduire les émissions de GES jusqu’à 34,5 %/tonne-km. Néanmoins, si le problème du stockage est résolu, alors l’hydrogène pourrait également être utilisé, ce qui pourrait réduire les émissions jusqu’à 47 %/tonne-km. (ITF, 2018)

Enfin, les avions ne comptent aujourd’hui que sur  » le moteur à turbine à gaz et le carburéacteur pour la propulsion « . (Gray et al., 2021) L’utilisation d’hydrogène pur pour le secteur de l’aviation nécessiterait de profonds changements dans les infrastructures et les équipements, principalement en raison des problèmes de stockage. En effet, même si l’hydrogène a une densité énergétique importante – environ 33kWh/kgH2 – sa densité volumique est très faible.

Néanmoins, les carburants liquides à base d’hydrogène permettraient de réduire les coûts d’hébergement. Malgré cela, il resterait jusqu’à 6 fois plus cher que les carburants actuels. (AIE, 2019a) De plus, les problèmes de stockage persistent : « par rapport au kérosène, un volume quatre fois plus important de LH2 (hydrogène liquide) est nécessaire pour fournir la même quantité d’énergie ». (Baroutaji et al., 2019)

Malgré tout, l’utilisation d’avions fonctionnant à l’hydrogène permettrait de réduire considérablement les émissions de CO2 et de NOx, de réduire la dépendance aux énergies fossiles et d’améliorer la qualité de l’air. (Baroutaji et al., 2019)

Il est important de se rappeler que l’utilisation d’hydrogène dans la décarbonation des transports ne peut être une réalité que si la production d’hydrogène est peu carbonée. Les défenseurs de l’hydrogène ont aujourd’hui beaucoup trop tendance à se focaliser sur le fameux verre d’eau si inoffensif, en omettant de donner des précisions sur les émissions dues à la production (de l’hydrogène, mais aussi du véhicule), ou sa fin de vie.

c) Critique : l’hydrogène pour la mobilité individuelle

Les voitures et vélos à hydrogène ont récemment fait couler beaucoup d’encre pour beaucoup de greenwashing et peu d’avancées. En effet, les promoteurs de ces véhicules se sont délibérément focalisés sur la phase d’utilisation en omettant d’évoquer le reste du cycle de vie. Cette critique a également été adressée aux personnes qui défendaient la voiture électrique de manière aveugle.

Il est essentiel d’avoir une vision globale et systémique sur ces sujets. Cela implique de se pencher sur tout le cycle de vie pour le véhicule, mais aussi sur les différents impacts (pas que le CO₂).

Même si l’hydrogène est une solution intéressante pour les transports, il est inutile, voire même contre-productif de l’employer là où l’électrification fonctionne bien (voitures individuelles, vélos, véhicules légers, etc.). En effet, cela demande de gros changements dans les infrastructures et accapare une partie de la production. Si la production est carbonée, cela aggrave les émissions par rapport aux véhicules électriques. Si la production est décarbonée, cela prive les secteurs industriels (solvants, raffineries, acier) d’un levier essentiel à leur décarbonation.

De plus, quelle que soit la technologie utilisée, l’empreinte carbone ne s’améliorera pas si le mode de production de l’hydrogène n’évolue pas. La production par électrolyse grâce à une électricité à faible teneur en carbone permettra de réduire considérablement les émissions. (Gray et al., 2021) Cependant, la question du prix, de la compétitivité et des enjeux géopolitiques reste ouverte.

Enfin, au-delà de la seule question des impacts pour un même usage, il est essentiel de questionner et repenser l’usage en lui-même. Mettre en mouvement un véhicule de 2tonnes pour effectuer le déplacement d’un humain de 70kg n’est pas une prouesse d’efficacité énergétique… Est-ce que le déplacement est nécessaire ? Doit-il être fait en voiture individuelle ? (généralement, ce sera non) Existe-t’il un autre moyen d’effectuer ce même déplacement ?

En effet, l’engouement sur ces véhicules allège la conscience des utilisateurs qui le plus souvent ignorent l’impact total. N’oublions pas que les véhicules plus « verts » ne sont pas là pour « sauver la planète », mais sauver l’industrie automobile dans un contexte de crise climatique et crise des ressources. Jamais ces industries ne remettent en question le fait de posséder un tank dans lequel on est généralement seul. Au mieux, elles vous inciteront au co-voiturage, mais il va falloir aller au-delà. Un monde sous 1.5°C n’est pas un monde où chacun possède une voiture individuelle, qu’elle soit électrique, thermique, à hydrogène ou autre.

Se concentrer sur les aspects technologiques et l’efficience énergétique empêche de remettre en question les raisons pour lesquelles on a besoin de ces moyens de transport. Il est en effet beaucoup plus vertueux de réduire notre usage des mobilités individuelles et/ou longue distance, et d’aider à la décarbonation de celles dont on ne peut se passer. Innovation et efficacité énergétique oui, mais sobriété avant tout.

Conclusion

Le sujet de l’hydrogène, comme tous ceux touchant à l’énergie et au climat, est extrêmement complexe. Il m’est impossible de le traiter de manière exhaustive en un article. J’en parle un peu plus en détail ici (en anglais). C’est pour cela que l’article s’est concentré sur les grandes lignes de la production d’hydrogène et de son utilisation dans les transports. Si vous ne deviez retenir qu’un paragraphe, je vous conseille donc de lire le suivant.

Tout d’abord, ce vecteur énergétique est aujourd’hui produit à 99% de fossiles et sa production est très polluante. (Chiffres 2019) De plus, bien qu’on ne parle presque que du transport individuel dans les sujets qui touchent à l’hydrogène, cette utilisation est marginale. Aujourd’hui, l’hydrogène est majoritairement utilisé pour les raffineries et l’industrie, et il est nécessaire de réserver l’hydrogène peu carboné à cet usage. Cependant, il est vrai que la phase d’utilisation émet peu et pourrait aider à décarboner la mobilité lourde et de longue distance.

Ensuite, il est régulièrement question d’hydrogène en mobilité individuelle (voiture/SUV, taxis, etc.), ce qui est inutile et contre-productif : l’électrification de ces modes de transport fonctionne parfaitement bien. Donc, au mieux, cela vole une partie d’hydrogène peu carboné à des secteurs qui en ont besoin pour leur décarbonation et, au pire, l’hydrogène est très carboné et le résultat sur tout le cycle de vie est bien pire que les véhicules électriques.

Enfin, tenter de décarboner les transports avec la seule solution de l’innovation technologique et efficacité énergétique est voué à l’échec : c’est un pari absolument incertain quand on voit les ressources (matières, humaines, énergétiques, financières etc.) requises, cela ne remet absolument pas en question le consumérisme et ses conséquences, et ne se concentre que sur le CO₂.

Il urge de faire mieux, moins polluant pour la même utilisation, mais il est encore plus vital de faire moins. On ne peut pas prétendre être sérieux sur les questions environnementales et climatiques si la sobriété n’est pas notre première solution.

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