Jusqu'à présent, les utilisations de l'hydrogène se sont limitées au raffinage, à la chimie ou encore à la propulsion spatiale. Mais dans un contexte de réchauffement climatique sur fond d'épuisement des énergies fossiles, ce vecteur énergétique pourrait connaître rapidement un essor considérable.
Article rédigé par Jean-François Desessard.
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Les 10 et 11 octobre derniers, l'ensemble des grands acteurs européens de la recherche sur l'hydrogène et les piles à combustible était réuni à Bruxelles dans le cadre des "ReviewDays 07" de la plate-forme technologique européenne HFP (European Hydrogen and Fuel Cell Technology Platform). A cette occasion, l'Europe a annoncé le lancement d'une Joint Technology Initiative dans ce domaine de l'énergie. Fruit d'un effort coordonné de différentes directions de la Commission européenne, qui va y consacrer 470 millions d'euros entre 2008 et 2013, cette initiative sans précédent a pour but de développer une filière industrielle européenne de l'hydrogène qui soit compétitive face aux Etats-Unis et au Japon.
Certes, l'hydrogène possède d'incontestables atouts qui lui permettent de prétendre pouvoir répondre aux défis énergétiques du XXIe siècle. Elément chimique le plus abondant dans l'Univers mais n'existant pas à l'état naturel sur Terre, l'hydrogène peut en effet être produit à partir de sources diverses et abondantes, ce qui laisse espérer une grande disponibilité de cette ressource, qui plus est à un prix relativement stable dans le temps. Cet élément est d'autant plus intéressant qu'il est particulièrement énergétique : 1 kg d'hydrogène libère environ 3 fois plus d'énergie qu'une quantité identique d'essence, soit 120 MJ/kg contre 45 MJ/kg pour l'essence.
Utilisé via une pile à combustible (PAC), l'hydrogène génère à la fois de l'électricité et de la chaleur sans autre émission que de l'eau. Brûlé, il peut fournir aussi de la chaleur ou une force mécanique dans des moteurs et des turbines. Parallèlement à cette grande flexibilité d'utilisation, l'hydrogène, à la différence de l'électricité, peut être également stocké. Enfin, il est complémentaire d'autres solutions énergétiques.
Les promesses d'un poids plume
Au cours des prochaines décennies, un nombre important de petites productions "décentralisées" de type éolien, solaire ou hydraulique devraient se développer en marge des moyens classiques de production d'énergie de base. Dans ce contexte, il est alors permis d'envisager un nouveau réseau de distribution. Par exemple, on peut concevoir une production d'hydrogène par électrolyse de l'eau, grâce au surplus d'électricité fournie par des éoliennes, puis son utilisation dans une pile à combustible pour d'autres usages.
Pour autant, l'hydrogène présente quelques inconvénients. De tous les éléments chimiques, il est en effet le plus léger, avec un unique proton et un seul électron. Aussi occupe-t-il, à poids égal, beaucoup plus de volume qu'un autre gaz. Ainsi 4,6 litres d'hydrogène comprimé à 700 bars sont nécessaires pour obtenir la même quantité d'énergie que produit 1 litre d'essence. De pareils volumes représentent donc une contrainte importante pour le transport et le stockage sous forme gazeuse de l'hydrogène. Par ailleurs, tout comme de nombreux combustibles, cet élément chimique peut s'enflammer ou exploser au contact de l'air. C'est pourquoi il doit être utilisé avec précaution. Toutes ces raisons font que jusqu'à présent l'hydrogène n'a quasi jamais été utilisé dans le domaine de l'énergie, ses coûts de production très élevés constituant par ailleurs un obstacle pour des utilisations massives.
Mais dans le contexte énergétique actuel, résultat de la conjonction d'une accélération du réchauffement climatique et d'une raréfaction à terme de certaines énergies primaires, à laquelle il faut ajouter une hausse de la demande mondiale d'énergie qui, selon l'Agence internationale de l'énergie serait en moyenne de 1,7% par an dans le monde d'ici 2030, le recours à l'hydrogène comme vecteur énergétique, et son utilisation via une pile à combustible, apparaissent depuis quelques années comme des solutions prometteuses capables de répondre aux défis énergétiques du XXIe siècle.
Etats-Unis, Japon et Allemagne dans le peloton de tête
Cela fait environ dix ans que les premiers programmes de R&D sur la filière hydrogène ont émergé dans les pays développés. Les plus importants d'entre eux sont menés principalement aux Etats-Unis, au Japon et en Allemagne. Outre-Atlantique, une "roadmap", autrement dit une feuille de route, a été établie, son objectif étant de parvenir à 8 millions de véhicules et 20 GW installés en 2020. Le Gouvernement fédéral a donc lancé un énorme programme - notamment à travers l'Hydrogen, Fuel Cell & Infrastructure Technologies Program et le FreedomCAR and Vehicle Technologies - dont le budget s'élève à 1,3 milliard d'euros pour la période 2004-2008. Soulignons que ces recherches sont financées en partie par les départements de l'Energie, des Transports et de la Défense et que beaucoup d'états comme la Californie ou encore le New Hampshire y sont impliqués. L'une des caractéristiques de ce programme est l'équilibre entre la recherche fondamentale, où un effort majeur a été réalisé sur le développement de solutions originales quant au stockage de l'hydrogène, la recherche appliquée et la réalisation de démonstrations.
Pour sa part, le Japon a triplé son budget de R&D sur la filière hydrogène depuis 2001, celui-ci s'étant élevé à 252 millions d'euros en 2005. De nombreux projets de démonstrations sont en cours, dont une dizaine de stations-service à hydrogène dans la région de Tokyo et une cinquantaine de véhicules équipés de PAC. En outre, plus de 900 installations pour du résidentiel font actuellement l'objet de test. Précisons que le NEDO, autrement dit l'agence de recherche gouvernementale, prévoit l'introduction de 50.000 véhicules équipés de PAC d'ici à 2010 et 15 millions de véhicules à PAC de type PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell), la solution actuellement la plus étudiée dans le monde, à l'horizon 2030.
De son côté, l'Allemagne a décidé en 2006 de doubler son effort dans ce domaine au cours des dix prochaines années, ce qui correspond à environ 500 millions d'euros supplémentaires sur les 2 milliards d'euros de son programme consacré à l'énergie. Rappelons que ce pays consacre entre 130 et 150 millions d'euros à ces travaux au niveau fédéral, une part supplémentaire, relativement importante, provenant des différents Länder. Là encore, beaucoup de démonstrations sont en cours. Ainsi à Berlin ont été installées deux stations-service à hydrogène. Par ailleurs, deux ou trois Landër jouent un rôle pilote qui devrait leur permettre d'accueillir de futures démonstrations majeures.
D'autres pays comme le Canada ou encore la Chine sont très impliqués dans le développement de la filière hydrogène. Ainsi le Canada consacre 80 millions d'euros à des projets de recherche et de démonstration pour évaluer des véhicules en conditions réelles (démarrage à froid, refroidissement, formation du personnel, perception du public...). Les premiers retours d'expérience sont d'ores et déjà disponibles. Quant à la Chine, elle a décidé de consacrer 72 millions d'euros pour le développement de véhicules à PAC, son objectif étant de produire des véhicules à prix compétitifs dès 2020.
Le paradoxe français au sein d'une Europe qui bouge
De son côté, l'Europe s'est fixé pour objectif de couvrir 5% des besoins en combustibles du secteur des transports avec de l'hydrogène d'ici à 2020. C'est dans ce cadre qu'a été lancée en 2004 la plate-forme technologique sur l'hydrogène et les piles à combustible baptisée "Hydrogen & Fuel cell Platform", HFP. Son objectif, accélérer la recherche et le développement des technologies hydrogène. Menée par l'industrie, elle regroupe notamment des chercheurs des secteurs privé et public. Il s'agit en fait d'un groupe de réflexion qui a conduit à l'établissement d'un plan commun d'actions sur dix ans divisé en quatre parties : transport, production, stationnaire, marchés précoces.
Cela s'est traduit par l'annonce du lancement de la Joint Technology Initiative (JTI) dans le domaine de l'hydrogène et des piles à combustible en octobre dernier. "Ce lancement confirme l'importance accordée par la Commission européenne au développement d'une filière industrielle européenne de l'hydrogène au sein d'une économie sans émission de CO2", estime Alain Bugat, administrateur général du Commissariat à l'énergie atomique (CEA) et, par ailleurs, vice-président de la plate-forme HFP. Dès aujourd'hui, cette JTI, sans précédent dans le domaine de l'énergie, rassemble 50 industriels, regroupés au sein d'une association pour ne parler que d'une seule voix, et 40 organismes publics de recherche de 16 pays, ces derniers représentant plus de 1 500 chercheurs qui couvrent tous les domaines de la recherche, du développement et de l'innovation de la filière hydrogène et de la PAC.
Au sein de cette Europe qui bouge, en particulier à travers le lancement de cette initiative, la France, qui s'y implique largement, dispose d'importants atouts tant au CEA, dont le niveau des travaux a été reconnu par un comité extérieur qui compte notamment trois prix Nobel, qu'au CNRS ou encore dans les universités. Parallèlement, de nombreux industriels comme Air Liquide, Areva et sa filiale Hélion, Saint-Gobain, Total, Snecma et GDF sont très motivés par cette thématique et parties prenantes de la JTI qu'ils pilotent. Publié en septembre 2007, le rapport de la commission Energie, présidée par Jean Syrota, intitulée "Perspectives énergétiques de la France à l'horizon 2020-2050", préconise notamment de consacrer les moyens nécessaires pour développer la filière hydrogène et les piles à combustibles. Mais dès le mois d'avril de cette même année, le Haut conseil de la science et de la technologie (HCST) avait rendu un avis dans lequel il s'étonnait "de l'importance donnée à la recherche sur l'hydrogène qui, précisait-il, n'est pas une source mais un vecteur d'énergie".
Etonnant paradoxe pour un pays qui soutient l'initiative européenne en s'y impliquant fortement mais dont certains responsables restent timides, principalement du fait d'une méconnaissance du sujet, plus particulièrement au niveau international. Plus généralement, on peut regretter qu'il n'existe pas véritablement de stratégie française en matière de R&D dans le domaine de l'énergie où la règle semble être de "faire un petit peu de tout", au contraire du DoE (Department of Energy) américain qui, à partir d'une stratégie, définit une roadmap avec des étapes qui correspondent à des actions spécifiques.
Forte coopération au niveau international
Si chacun des grands acteurs de la filière hydrogène développe sa propre stratégie et lance des programmes ou des initiatives, il existe une forte coopération dans ce domaine qui s'articule autour de trois accords internationaux complémentaires. Le premier d'entre eux a pris la forme d'un groupe de travail sur l'hydrogène (HCG) créé à l'initiative de l'Agence internationale de l'énergie. Plus récent, l'IPHE (International Partnership for the Hydrogen Economy), lancé en 2003, à l'initiative des Etats-Unis, et auquel participent 17 pays, dont plusieurs pays européens parmi lesquels la France, a pour objectif d'étudier l'économie de l'hydrogène et de réfléchir aux obstacles auxquels elle est confrontée tout en cherchant à sensibiliser le public mais aussi les milieux politiques. Par exemple, c'est dans le cadre de l'IPH qu'a été réalisé un recensement complet de toutes les opérations majeures de démonstrations menées dans le monde jusqu'à ce jour.
Enfin, la coopération internationale s'organise également au sein d'un troisième organisme, qui dépend de l'UNIDO (United Nations Industrial Development Organization), l'International Centre for Hydrogen Energy Technologies, l'ICHET, fondé également en 2003 et basé à Istanbul, en Turquie. Sa mission est de participer au développement, y compris financièrement, de projets de démonstrations dans des pays émergents comme l'Algérie, la Roumanie, l'Azerbaïdjan ou encore l'Argentine. Par exemple, au Maroc, où il existe un potentiel éolien très important et des besoins, notamment dans les cimenteries et dans le cadre du développement durable, il existe un projet de fabrication d'hydrogène à partir de l'énergie produite par des éoliennes installées dans le sud de ce pays.
Véritable technologie de rupture, la filière hydrogène fait donc l'objet de nombreux programmes de recherche dans le monde depuis plusieurs années. Certes, l'intensité de ces travaux ne prélude en rien de l'issue de son développement, qui plus est à quel horizon plus ou moins lointain. Il est certain que de fortes incertitudes subsistent quant à la viabilité technique et économique de cette filière. Mais en revanche, le changement climatique semble se confirmer tout comme les réserves d'hydrocarbures viendront inévitablement à s'épuiser. Face à une telle situation, les mots "décision", "risque" et "courage" prennent soudainement toute leur signification.
