Pourquoi le plan Hydrogène Français n'est pas optimal et doit être modifié?

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Soumis par bchatelet le sam 18/09/2021 - 18:21
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L'hypothétique véhicule à hydrogène
En Septembre 2020 l'état Français à l'initiative de l'AFHYPAC a annoncé la création pour un coût de 7 Milliards d'un plan de production d'hydrogène décarboné. Ce plan n'est pas très judicieux pour un raison de fonds assez simple. L'hydrogène est d'un maniement très difficile car il est très volatil et explosif, ce qui entraîne des précautions draconiennes d'utilisation et induit des coûts qui le rendent non compétitifs par rapport en particulier au méthanol.

L'idée d'utiliser l'hydrogène dans l'économie (1) n'est pas nouvelle. Depuis Jules Verne dans son roman l'île mystérieuse à l'économiste Jeremy Rifkin qui en 2002 dans son livre "l'économie hydrogène" écrivait: "l'hydrogène est la dernière étape du processus de décarbonisation.[..] Source d'énergie première du futur, il marque le fin du règne des hydrocarbures".  Dés 2003 l'administration Bush (2, p259/424) avait mis en place un plan de plus d'un milliard de dollards pour le développement de la voiture à hydrogène à partir de 2015. Pourtant à cette échéance, l'utilisation de ces véhicules reste très marginale aux État-Unis. 

Le combustible a des avantages. Parmi les véhicules à pile à combustible (3)  ayant déjà fait l'objet d'un prototype, l'hydrogène est le seul carburant  , offrant un véhicule n'émettant pas du tout de CO2 (à part celui à concevoir (3a, 5 min) utilisant l'ammoniaque). Pour autant en 2021 95% de l'hydrogène produit en France est fait par reformage à partir de sources carbonées et l'hydrogène dit "vert" produit à partir de l'hydrolyse de l'eau est très peu répandu.  Le bilan carbone de l'hydrogène est donc en 2021 impossible à classer globalement comme neutre. Par contre l'hydrogène est un gaz à effet de serre, dont l'effet est 6 fois plus important que le CO2 (3b), par contre sa durée de vie n'est pas supérieure à 2 ans.

On ne peut se contenter toutefois de se limiter à ces avantages apparents en passant outre les deux inconvénients majeurs rencontrés.  
L'utilisation de l'hydrogène est dangereuse
En 2019 une station de ravitaillement a explosé en Norvège (4) et une autre à  Santa-Clara aux États-Unis entraînant la fermeture de neuf des onze stations d'approvisionnement de la région. Peut-il vraiment être utilisé en ville, dans les parking publics? Il suffit de se souvenir des controverses en France liées à l'utilisation des voitures au Gpl, qui est pourtant comprimé entre 225-475 fois (5) moins. 

Son coût d'utilisation est non compétitif, à grande échelle, aussi bien  s'il est utilisé pour le stockage de l'énergie qu'en tant que combustible de la mobilité.
Une étude montre par exemple que les coûts de distribution (6, p27/29)  (6, 4min) rendent le transport prohibitif dés que les stations d'approvisionnement sont à plus de 150km des lieux de production.  Le coût d'installation d'une station d'avitaillement est au minimum en 2021 de 0,6M d'euros (7) contre 5 fois moins (8) pour une station essence (et un coût égal ou en pratique quasi nul pour le méthanol, celui-ci s'intégrant dans les stations existantes). Les coûts des véhicules à hydrogène sont nécessairement plus élevés que ceux fonctionnant au e-méthanol car dans ce dernier cas on économise sur la distribution et le stockage (réservoirs non pressurisés). On peut par ailleurs assez facilement dans les véhicules fonctionnant avec une pile à combustible au e-méthanol récupérer le Co2. En effet, le coût d'équipement de 10000 stations en méthanol a été évalué à 2 Milliards de dollars, pour environ 1000 Milliards de dollars  (8a, p14/24) (8b) pour le même nombre de stations en hydrogène.  Les véhicules électriques peuvent pour leur part être rechargés à domicile, ce qui leur donne l'avantage du réseau de recharge le plus étendu parmi tous les types de véhicules .

Le coût de fabrication des véhicules à hydrogène les situent parmi les types de véhicules les plus chers existants. En effet,  ceux-ci doivent additionner le prix d'une pile à combustible à hydrogène, celui de réservoirs très robustes (fibre de carbone), le renforcement de la structure du véhicule pour protéger les réservoirs, le coût d'un batterie électrique qui permet de stocker l'énergie provenant de la pile à combustible.  
En France par exemple en intégrant les primes proposées par l'état on ne trouve pas de modèle neuf de voiture en 2021 à moins de 60.000 Eur (9), à comparer par exemple avec le prix de vente de la Dacia Spring  (10) électrique (autonomie réelle supérieure à 150 km), qui primes comprises  pour la France peut s'acheter autour des 10.000Eur.  Mettre en avant l'autonomie supérieure des véhicules à hydrogène revient à privilégier un usage très limité quand on sait que la distance moyenne parcourue quotidiennement est de 25km (11).  Qu'on compare le prix d'achat des bus à hydrogène (12) à celui des bus électrique, on trouve toujours un surcoût en 2020 d'un tiers en faveur de l'électrique. La construction d'un véhicule à hydrogène sera toujours nettement plus cher que son équivalent fonctionnant avec une pile à combustible au méthanol, car dans ce dernier cas le réservoir de combustible (13) est comparable à celui d'un véhicule à essence. Le véhicule à pile à combustible à méthanol permet d'utiliser la batterie rechargeable du véhicule pour les trajets quotidiens et constitue avec ceux fonctionnant à l'éthanol ou à l'ammoniac les types de véhicules hybrides les moins polluants. La comparaison du prix de vente des voitures à hydrogène avec les voitures flexfuel, dont les couts de production sont similaires à ceux des véhicules roulant à l'éthanol, est largement en faveur du méthanol dans un facteur de 2 à 3.
Par ailleurs, le critère de taxation des cartes grises des véhicules à partir de leur niveau d'émission de CO2 connait certaines limites. En effet, un véhicule utilisant de l'hydrogène gris (produit à partir du méthane) est taxé sur la base d'une émission nulle en CO2, alors qu'un véhicule utilisant du méthanol vert l'est à peu prés même niveau qu'un véhicule à l'éthanol par exemple, même si son bilan carbone est en réalité très faible.  Ceci est aussi valable pour les carburants: le méthane obtenu par méthanation ne devrait pas être taxé pour le consommateur au même taux que celui qui importé. La taxation de l'énergie, comme par exemple celle de l'électricité, devrait se faire au niveau des producteurs et non des consommateurs, avec des taux différents suivant le mode carboné ou décarboné.

D'autres types de véhicules  
Le coût d'utilisation du carburant est en 2020 non compétitif: il est estimé à 15Eur/100km (14). Un véhicule à hydrogène consomme environ trois fois plus d'électricité que son équivalent fonctionnant à batterie électrique et aucune voie d'amélioration technique ne permet d'envisager de combler ce retard, les effets d'échelle n'y suffisant pas. En effet, le rendement énergétique d'un véhicule à pile à combustible est environ 3 fois inférieur par rapport à un véhicule utilisant des batteries (18b,fig11 p20/33). Dans le même temps cependant le prix des batteries des véhicules électriques continue de baisser (15) et leur capacité (16) d'augmenter. Le méthanol obtenu par captation du CO2 avec un coût de production de 0,8Eur=1Eur*0,8kg/litre (17, fig8)  (17a, p5/8) (17b) en 2020 est aussi moins cher que l'hydrogène, en le rapportant à une consommation moyenne de 7l/100km, pour un véhicule flex-fuel. Le prix de vente (18) non fiscalisé serait ainsi probablement légèrement inférieur à celui de l'essence. Ce dernier coût  est au moins deux fois moins élevé que celui de l'hydrogène vert.  Le coût de production de l'ammoniac vert est aussi inférieur au prix de vente de l'essence en France (7s, fig7).  Même si du CO2 est émis lors de la combustion des moteurs, le bilan carbone de ce emeOH (ou méthanol vert) est très bas compte tenu de son mode de production par captation de 90% de CO2. 
Le coût d'achat d'une voiture fonctionnant à l'essence est similaire à celui d'une voiture fonctionnant avec un pile à combustible au méthanol, mais nettement inférieur à celui d'un voiture fonctionnant à l'hydrogène(18a, p17/91)

L'investissement nécessaire pour construire des usines permettant de capter 10Mt de C02 en France, peut être estimé à partir de l'exemple d'une usine pouvant produire annuellement 0,43Mt de méthanol (23, 2.2) ou de celui produisant 1,5Mt (24, 3.2) entre 2 à 2,5 Milliards . Le  remplacement par 10Mt de Méthanol de l'essence ou du diesel  couterait environ 4,5 Milliards par an sur la base d'une recette de la Ticpe de plus de 40 milliards par an (25) mais réduirait d'environ 4 milliards (26, p20/74)  le déficit de la balance commerciale. Une défiscalisation partielle suffisant cependant à assurer la compétitivité du e-méthanol, on ne peut que constater le manque de rationalité économique de l'État à ce sujet.

Enfin, il est possible de concevoir une pile à combustible au méthanol , et dans une moindre mesure pour un véhicule fluexfuel-méthanol, récupérant l'émission de C02 sous forme liquide (26a) (p4/25) , beaucoup plus simplement que pour un véhicule à essence (26b). La rentabilité de ce type de capture semble exister dans la mesure où la tarification du CO2 est environ de 0,5Eur/kg (26 c)  et qu'à titre d'exemple une voiture de type Crit1 émet environ 10kg (26d) de CO2/100km qui pourraient donc être valorisés à un prix de 5Eur/100km.  
La pile a combustible au méthanol avec récupération de CO2 aura dans ce cas un bilan carbone nul voir négatif, meilleur que celui de la pile à combustible à hydrogène avec un coût plus faible (véhicule, carburant), si on utilise par ailleurs la méthanolisation. De plus de récentes découvertes (26i) dans les technologies de piles à combustibles permettent d'envisager une baisse significative des coûts de production à cause de la substitution des métaux rares comme le platine (26l) (26m). Alors que la pile représente en moyenne environ 50% du cout de production d'un tel véhicule (fig11), cette  proportion est plus importante encore dans le cas d'un véhicule à pile à combustible utilisant le méthanol (pas de réservoir en titane(26k)). Cependant en 2017, les piles à combustibles pour les véhicules étaient encore peu développées, puisque par exemple 82% de ces véhicules étaient en Californie ou au Japon (26j).

A titre d'exemple, le prix aux 100 km d'un véhicule équipé dune pile à combustible au méthanol peut s'évaluer à partir des données suivantes:  
-consommation de méthanol par Kwh (26e, 5min41): 0,9l/kwh
-consommation aux 100 km d'un véhicule électrique: 17kw/100km (26g)
-prix du e-méthanol/litre: 0,80Eur/m (26f) ,(26j) s'il s'agit de e-methanol (vert) donc exonéré de la taxe carbone. 
-valorisation du Co2 récupéré 100km (26h, 7min16): 8.3*0.5=4.15Eur/100km. L'énergie de compression du C02 s'élève à environ 0.1kw/kg (26i). Aux 100km cette énergie peut être estimée à 0.8kw et représente une consommation de 0.72l de méthanol.
Le coût aux 100km peut donc s'évaluer par la formule: 0.9*17*0.8 -4.15+0.72*0.8=8Eur67/100km, ce qui est moins cher que celui d'une voiture à essence en France, taxes comprises: 5*1.8=9Eur/100km (prix de l'essence à 1.8eur/l en 2022). Il faudrait donc que l'état détaxe à 100% le e-methanol pour assurer en 2022 sa viabilité économique à travers son coût d'usage pour une pile à combustible, avec des émissions de co2 réduites presque de 100%.

Si l'on fait une comparaison entre le coût d'usage d'une voiture roulant au carburant M100 et d'une voiture à l'essence:
-consommation d'une voiture utilisant M100, produit par méthanolisation: 13.5l/100Km (p5/10). Coût aux 100km (ht): 13.5*0.9= 12Eur15  contre 8*1.8=14.4 Eur pour le modèle essence. On voit qu'en détaxant à 100% le e-methanol la rentabilité du e-methanol existe déjà, et avec des émissions de Co2 réduites de 70% (p12/15).

Si l'on considère la diminution du déficit commercial qu'engendrerait  la production d'e-methanol et la légère diminution des externalités dues au réchauffement climatique à venir on voit qu'il serait déjà rentable pour l'État et pour le consommateur de déclarer cette défiscalisation quitte à trouver pour l'État des ressources fiscales complémentaires dans d'autres domaines. Une startup Française a mis au point un kit d'adaptation des véhicules à essence vers le méthanol pour 2000Eur (26j).

Le véhicule hybride RMfc-VE (26i,p33/58) semble être, en 2020, parmi parmi les moins onéreux et émetteurs de CO2. Cependant quand on examine les résultats de l'enquête mobilité 2019 (26n) on voit que les Français font en moyenne moins de 7 voyages par an de plus de 80 km (26k,6min40), qui représentent moins de 2% des leurs déplacements. La pertinence pour un véhicule électrique de disposer de plus de 100km d'autonomie se pose donc car a contrario la conséquence d'une autonomie supérieure est l'alourdissement  du véhicule (5kg/kwh de capacité de batterie, en 2022)  entrainant une surconsommation dans son usage quotidien (26m). Ces données montrent aussi que l'avantage annoncé d'une grande autonomie d'un véhicule à hydrogène, ou hybride thermique/électrique est en réalité pour un usage courant associé à des surcoûts de construction et d'usage assez peu rationnels du point de vue économique. 

Autres utilisations de l'hydrogène

Certains plans qui ont été conçus pour fabriquer de l'hydrogène à partir du méthane, sont liés à des risques importants de fuite de méthane et ont en réalité un bilan carbone peu intéressant (6min).
Si l'hydrogène a un intérêt pour le stockage de l'énergie (19) d'origine décarbonée, cet intérêt est moindre en comparaison du méthanol (19a, 5min/12) (19b,p38/245). La densité énergétique (20) du méthanol est plus élevée que celle de l'hydrogène liquide, dans un facteur 2 (20b, p4/33). D'autre part, il y aurait au moins une réserve de production de 10MteqP de e-méthanol provenant de la décarbonation des procédés de fabrication des industries manufacturières en France. Le coût brut de production du e-methanol est supérieur (20), p18/45 à celui de l'hydrogène vert, mais le stockage et les coûts d'utilisation ultérieurs du méthanol ainsi produit sont sans comparaison avec ceux de l'hydrogène. Le production de cette réserve de e-méthanol pourrait permettre à moyenne échéance de supprimer les importations Françaises d'électricité en se dirigeant vers une production électrique Française 100% décarbonée, avant 2035 qui est l'échéance fixée pour ce même objectif par le Royaume-Uni (20a) . En 2021, 85 % de l'hydrogène produit est consommé sur son lieu de production (20b, 36min). L'utilisation de l'air comprimé est aussi plus efficace et moins cher que l'hydrogène (20c, p30/245). Il est en effet  nécessaire dans le cadre de la transition d'accroître les moyens de stockage de l'énergie issue d'une production décarbonée, pour surmonter la question de l'intermittence (21). Cela est confirmé par le rapport de synthèse 2021 de Rte, qui par contre oublie d'envisager l'utilisation du méthanol dans ses projections (21a, p6/64). La question de l'intermittence se  pose d'ailleurs aussi pour l'industrie nucléaire Française (22, p92/268) dont le "load factor" (ou temps de disponibilité) moyen a diminué de 10 à 15% ces 5 dernières années à cause en particulier de l'augmentation de l'âge moyen des centrales. Les coûts élevés de l'acheminement du réseau dans le prix de l'électricité (30%) montrent qu'il y a probablement des économies à faire en matière de distribution et de gestion du stockage de l'électricité. Par ailleurs cela permettrait aussi de lisser les variations du prix de l'électricité en Europe (22a).  L'ammoniac est aussi un moyen plus simple de stocker l'énergie que l'hydrogène (23) (23a) mais avec plus de contraintes que le méthanol (24) (25, p29/124). Le méthane est aussi via la méthanation un meilleur moyen de stockage de l'énergie que l'hydrogène (26) (26a) (26b) car il peut etre distribué par des gazoducs contrairement à l'hydrogène (sauf quand il est mélangé à faible concentration au méthane ).
Une étude montre que le stockage de l'énergie présentant la meilleure efficacité,  est obtenu par une combinaison du e-methane et du e-methanol (26c) .
C'est le méthanol qui est le moins onéreux (26d, 3.4.3) pour le stockage, et il présente aussi des avantages par rapport au méthane dés qu'il s'agit de l'utiliser comme combustible pour les véhicules.  La transformation du méthane en méthanol sera peut-être exploitable de manière industrielle à moyen terme (27).   

Produire une électricité à 100% décarbonée en utilisant la méthanation est possible en l'espace de 10-15 ans, comme les Anglais s'y sont engagés d'ici 2035 (voir article CCUS). Cet objectif permettrait par ailleurs de légitimer davantage l'utilisation de la voiture électrique, en diminuant son bilan carbone.

En conclusion, dans le cadre de la transition énergétique la production d'hydrogène vert doit être dédiée en priorité à la production d'ammoniac, au raffinage et à la mise en place de la production d'acier par réduction directe du fer (27a, 27min) et à la décarbonation de la production électrique à travers la méthanation. Ceci d'autant plus que de nouveaux procédés de production de l'hydrogène (27b) (27c) le rendent très compétitif comme vecteur de la transition.  A défaut de respecter ces priorités, il serait opportun de transformer le plan au moins en un plan carburants verts, le méthanol, l'ammoniac et le méthane vert étant des produits finaux en pratique beaucoup plus utilisables que l'hydrogène pour le secteur du transport ou celui du stockage de l'énergie.