Le Coin des Tendances – hydrogène – les pénuries
Le retour des pénuries !
Après la crise financière de 2008, l’économie mondiale était confrontée à un déficit de demande et à un sous-emploi. Les banques centrales peinaient à relancer l’inflation afin d’éviter la déflation. Les ménages inquiets, surtout aux États-Unis, ont réduit leur endettement. Pour limiter leurs déficits, les États ont imposé une austérité relative en augmentant les prélèvements. Faute de demande, les entreprises ont freiné leurs investissements. Jusqu’en 2018, le sous-emploi est demeuré important. En sortie de crise sanitaire, la demande est dopée tant par l’épargne accumulée que par les plans de relance. L’offre qui a été désorganisée par les confinements éprouve des difficultés à répondre au surplus de demande. Pour satisfaire les commandes, il manque des camions, des chauffeurs, des conteneurs, des bateaux et des créneaux libres dans les ports. Une armada de porte-conteneurs est ancrée au large de la Californie en attendant que les ports se libèrent. Les goulets d’étranglement se multiplient contribuant au retour de l’inflation. Cette situation particulière de déficit de l’offre est-elle amenée à perdurer ou à s’estomper avec la remise en ordre les circuits d’approvisionnement et la normalisation de la demande ?
L’économie mondiale doit répondre à un choc de demande sans précédent. Les plans de relance décidés par les gouvernements, tout autour de la planète, dépassent 10 400 milliards de dollars, soit plus de quatre fois le PIB de la France.
La demande de produits électroniques qui a explosé dès le début la pandémie se poursuit depuis avec le développement du télétravail. La pénurie de microprocesseurs est liée à un mauvais calibrage de la production dans un secteur concentré au moment où les besoins sont en forte hausse. L’électrification du parc automobile s’accompagne d’un achat de plus en plus important de microprocesseurs de la part des constructeurs. La transition énergétique en ayant été accélérée provoque des pénuries sur certaines énergies conduisant à une forte hausse des cours. L’arrêt des centrales au charbon provoque une forte demande de gaz naturel conduisant à l’envolée de son prix. Le Royaume-Uni, ayant réalisé des commandes d’urgence par crainte d’une pénurie, a provoqué une hausse de 60 % au début du mois d’octobre. En Chine, les nouvelles normes environnementales ont contribué en partie aux coupures électriques aux mois de septembre et octobre. Face à une forte demande d’énergie, les investissements ne suivent pas. Les industriels rechignent à accroître leurs capacités de production d’énergie carbonée craignant de ne pas pouvoir les amortir.
La désorganisation du commerce international est accentuée par la montée en puissance du protectionnisme. La multiplication des normes liées au travail et à l’environnement ainsi que les embargos pour non-respect des droits de l’Homme ne facilitent pas les échanges. L’administration de Joe Biden a confirmé qu’elle maintiendrait les tarifs de Donald Trump sur la Chine, qui sont en moyenne de 19 %, promettant seulement la possibilité pour les entreprises de demander des exemptions. Le manque de chauffeurs routiers en Grande-Bretagne a été exacerbé par le Brexit. L’Inde est confrontée à une pénurie de charbon causé, du moins en partie, par une tentative de réduire les importations de carburant.
Face à ce nouveau contexte, les experts économiques semblent un peu perdus. Dans les années 1970, les gouvernements ont commis de nombreuses erreurs pour tout à la fois endiguer l’inflation et favoriser la croissance. Ils ont souvent effectué des relances à contretemps qui alimentaient les déficits budgétaires et extérieurs tout en nourrissant l’inflation. Ils ont également eu recours à des systèmes de blocage ou d’encadrement des prix (systèmes qui, ces derniers jours, retrouvent une nouvelle jeunesse). Aujourd’hui, au sein des banques centrales, le débat sur les modalités de sortie des politiques monétaires expansionnistes est engagé même si ces dernières parient sur un retour à la normale sur le front de l’inflation à la fin de l’hiver. La consommation devrait être portée davantage par les services au fur et à mesure de la normalisation sur le terrain sanitaire, réduisant ainsi les tensions sur les secteurs industriel et énergétique. Par ailleurs, les investissements réalisés ces derniers mois devraient déboucher sur une augmentation de l’offre d’ici 2023. Les plans de relance devraient en 2022 avoir moins d’effets d’autant plus qu’aux États-Unis, le Congrès rechigne à accepter en l’état le plan géant d’investissement du Président. Au Royaume-Uni et dans plusieurs États, l’idée d’une augmentation des impôts est de plus en plus avancée, ce qui réduira la consommation. Le risque d’une crise immobilière en Chine pourrait se traduire par une réduction de la demande finale, les agents économiques optant pour la prudence.
L’économie de la pénurie pourrait néanmoins ne pas disparaître. Le vieillissement de la population s’accélérera dans les prochaines années conduisant à des problèmes de recrutement et donc à une possible hausse des salaires. La recherche de gains de productivité sera une ardente obligation pour limiter ce problème clef pour le maintien de la croissance à un niveau élevé. La transition énergétique en imposant une modification de fond en comble des processus de production aboutira à des rationnements de l’offre et à des goulets d’étranglement. La fin des énergies fossiles s’accompagnera de hausses de prix et des pénuries. Les gouvernements devront donc planifier soigneusement le processus de substitution afin d’éviter des à-coups pouvant peser sur la croissance et générer des tensions sociales. Cette transition pourrait s’accompagner d’une montée du protectionnisme qui sera nuisible à l’activité et qui pourrait favoriser l’inflation. Le défi des pouvoirs publics sera, dans les prochaines années, d’éviter un clivage dur autour de la décarbonation et de la mondialisation.
L’hydrogène, un fort potentiel qui tarde à se concrétiser
Tous les dix ans, l’hydrogène est présenté comme le carburant du futur. Pour autant, il n’arrive jamais à dépasser le cap des intentions. Son coût de production baisse lentement et les problèmes de stockage et de transport sont importants. Les caractéristiques de l’hydrogène l’ont prédisposé jusqu’à maintenant à des usages de niche, la fabrication d’ammoniac pour les engrais et les explosifs, le carburant pour les moteurs des fusées. Son utilisation plus large comme carburant suppose un changement de dimension et la création d’une véritable filière.
Lors de la présentation de son plan « France 2030 », le Président de la République, Emmanuel Macron, a souligné que le développement de la filière « hydrogène » constituait un enjeu majeur. Il a affirmé que le pays devait « devenir le leader de l’hydrogène vert en 2030 ». Il considère que la France « doit pouvoir compter sur son sol au moins deux gigafactory d’électrolyseurs » et qu’elle « produira massivement de l’hydrogène et l’ensemble des technologies utiles à son utilisation ». Depuis plus de deux siècles, l’hydrogène apparait, de manière épisodique, comme un espoir d’énergie propre. Les premiers pas de cette source énergétique sont liés à la découverte de l’électrolyse de l’eau, permettant la séparation de l’oxygène et de l’hydrogène, en 1800, par William Nicholson et Sir Anthony Carlisle. Le principe de la pile à combustible utilisant de l’hydrogène est découvert, en 1839, par le chimiste suisse Christian Friedrich Schönbein. En 1845, William Robert Grove réalise la première pile à combustible. En 1874, Jules Verne écrit dans son roman « L’Île mystérieuse » que « l’eau sera un jour employée comme combustible, que l’hydrogène et l’oxygène, qui la constituent, utilisés isolément ou simultanément, fourniront une source de chaleur et de lumière inépuisables et d’une intensité que la houille ne saurait avoir ». Avec le dépôt du brevet sur l’ammoniac par Fritz Haber, l’hydrogène est utilisé pour la fabrication d’engrais. Le procédé Haber est amélioré par Georges Claude qui fonde la société Air Liquide. L’hydrogène devient par ailleurs une matière première pour la fabrication d’explosif. À défaut de pouvoir accéder au pétrole du Moyen Orient, l’Allemagne nazie s’engage dans un programme de production d’hydrogène à partir de charbon. En 1959, Francis Thomas Bacon, de l’université de Cambridge, construit le premier prototype de pile à combustible qui servira de modèle à celles utilisées lors des missions spatiales Apollo. Après le premier choc pétrolier, des projets de substitution de l’hydrogène au pétrole sont engagés sans pour autant aboutir à des résultats tangibles. En 1990, la première centrale de production d’hydrogène à partir d’énergie solaire est mise en service en Bavière. En 2002, Jeremy Rifkin publie un livre intitulé « l’économie hydrogène – Après la fin du pétrole, la nouvelle révolution économique » et l’évoque à nouveau dans son livre de 2011 sur « la troisième révolution industrielle ». Pour être une source dé décarbonation, l’hydrogène doit être issu des énergies renouvelables ou du nucléaire.
En 2019, plus de 95 % de l’hydrogène consommé dans le monde est extrait des combustibles fossiles, principalement du gaz naturel, sous l’action de la vapeur d’eau surchauffée. La production mondiale d’hydrogène est responsable de l’émission d’environ un milliard de tonnes de CO2 chaque année soit l’équivalent des émissions de l’Indonésie et du Royaume-Uni. L’hydrogène produit à partir des énergies fossiles avec une forte émission de gaz à effet de serre est qualifié de gris. En cas de captation du CO2, l’hydrogène ainsi décarboné est alors qualifié de bleu. L’hydrogène vert est, de son côté, produit par électrolyse de l’eau grâce à de l’électricité issue d’énergies renouvelables. S’il est produit par une proportion importante d’électricité d’origine nucléaire (comme en France), il se verra plutôt attribuer la couleur jaune. Au mois de juin 2021, la Commission de Bruxelles a décidé d’abandonner ce code couleur. L’hydrogène sera désormais soit « propre » – exclusivement produit à partir de renouvelables – soit « bas carbone », une notion que la Commission définit comme produit à partir d’électricité majoritairement nucléaire (l’hydrogène anciennement jaune) ou de combustibles fossiles avec captage et stockage du carbone (l’hydrogène bleu).
La nécessaire réduction des coûts de production
En 2021, la production d’hydrogène est une activité marginale à l’échelle mondiale. 90 millions de tonnes sont produites chaque année, générant des revenus de 150 milliards de dollars, ce qui correspond à la taille d’une compagnie pétrolière comme ExxonMobil. Le processus utilise 6 % du gaz naturel mondial et 2 % du charbon. Cette industrie émet plus de 800 millions de tonnes de dioxyde de carbone. Les premiers usages de l’hydrogène ne sont pas énergétiques mais industriels. Il est utilisé pour traiter le pétrole dans les raffineries et pour produire du méthanol, nécessaire pour la fabrication des plastiques. L’hydrogène est indispensable pour la production de l’ammoniac industriel qui est le principal ingrédient des engrais artificiels. La production de l’hydrogène est aujourd’hui coûteuse et sale. Son utilisation comme carburant impose un changement de dimension et de modèle.
L’hydrogène a un potentiel énergétique élevé. La combustion d’un kilo fournit 2,6 à 3 fois plus d’énergie que celle d’un kilo de gaz naturel. Quand il est brûlé dans l’air, il n’émet pas de sulfates ou de monoxyde de carbone. Utilisé dans une pile à combustible, sa combustion ne produit que de l’eau. Fabriqué par électrolyse, ou à partir du charbon, le prix de l’hydrogène est relativement insensible aux aléas géopolitiques à la différence du pétrole ou du gaz naturel. En revanche, son stockage est délicat et coûteux. Peu dense, il a tendance à s’évaporer facilement. Sa liquéfaction est la solution usuelle pour contourner ce problème, ce qui nécessite de le refroidir fortement.
Selon Morgan Stanley, le marché de l’hydrogène devrait être multiplié par plus de cinq pour atteindre plus de 500 millions de tonnes d’ici 2050. Afin d’atteindre cet objectif, le recours à plusieurs techniques sont envisagés. L’hydrogène qui resterait produit avec des énergies fossiles devrait s’accompagner d’un stockage du dioxyde de carbone émis. L’autre voie est la fabrication d’hydrogène grâce à l’électricité produite à partir d’énergies renouvelables. Pour rendre cette technologie rentable, un renchérissement de la tonne de carbone serait nécessaire afin d’inciter les entreprises à passer à l’hydrogène vert.
En 2021, l’hydrogène gris fabriqué à partir du gaz naturel coûte environ 1 dollar le kilogramme. L’hydrogène vert à partie d’énergie renouvelable coûte plus de 5 dollars le kilogramme. Le département américain de l’Énergie développe un projet « Hydrogen Shot » qui vise à réduire le coût de l’hydrogène vert, d’environ quatre cinquièmes à 1dollar le kilogramme d’ici 2030. Pour cela, le prix de l’électricité renouvelable doit fortement diminuer tout comme les électrolyseurs. Les capacités de production des électrolyseurs à l’échelle mondiale sont d’environ trois gigawatts, soit l’équivalent de trois centrales nucléaires. Selon McKinsey, cette capacité devrait atteindre plus de 100 gw d’ici 2030. Ce changement de dimension pourrait entraîner une réduction des coûts de 65 à 75 %. L’objectif serait à terme la fabrication d’un kilogramme d’hydrogène vert pour deux dollars.
Du stockage des énergies renouvelables au carburant des moyens de transports
Compte tenu des conditions climatiques, les énergies renouvelables produisent des quantités d’électricité supérieures à la demande. Cette électricité peut être retirée des réseaux, récupérée à travers des batteries ou transformée en hydrogène. Cette affectation des excès de production électrique n’est pas, en l’état, rentable. Un projet, dans l’Utah aux États-Unis, de Mitsubishi, prévoit la fabrication de l’hydrogène à partir d’énergies renouvelables locales avec un stockage dans des mines de sel. En fonction des besoins, l’hydrogène sera utilisé pour produire de l’électricité destinée à alimenter la ville de Los Angeles. Des entreprises dont notamment la SNAM une société italienne qui exploite l’un des plus grands réseaux d’oléoducs au monde, travaille sur un projet d’alimentation de l’Allemagne en hydrogène vert produit par des centrales solaires en Tunisie. L’Australie et le Chili espèrent exporter par bateau de l’hydrogène produit à partir de sources d’énergies renouvelables.
L’hydrogène vert permettrait de réduire les émissions des gaz à effet de serre de plusieurs secteurs industriels. La sidérurgie qui est responsable de 8 % des émissions, l’hydrogène pourrait être une source de chaleur et remplacer le carbone pour la production de l’acier. ArcelorMittal a récemment engagé un programme de 10 milliards de dollars pour réduire les émissions de gaz à effet de serre en utilisant l’hydrogène. US Steel a formé un partenariat avec la société norvégienne Equinor, un producteur d’hydrogène. Hybrit, un groupe suédois, a livré le premier lot d’acier vert au mois d’août 2021.
Pour l’aviation, de nombreuses recherches sont menées. ZeroAvia, une startup soutenue par British Airways et Jeff Bezos, a, en 2020, effectué le premier vol à pile à combustible dans un avion de taille commerciale en Grande-Bretagne. Airbus a confirmé, au mois de septembre, un projet de motorisation des avions à l’hydrogène d’ici 2035. Selon le PDG de ce groupe, Guillaume Faury, « l’hydrogène a une densité énergétique trois fois supérieure à celle du kérosène, il est fait pour l’aviation » La limite à l’utilisation de l’hydrogène est liée à sa faible densité. À température et pression ambiantes équivalentes, l’hydrogène est le gaz le moins dense. Si un kilogramme d’hydrogène a un potentiel énergétique trois fois supérieur au kérosène, il occupe 3 000 fois plus de place. Pour réduire cet inconvénient, le gaz doit être liquéfie à -253°C. Face à cette problématique, Boeing a décidé de ne pas emboiter le pas à Airbus. Les ingénieurs de l’entreprise américaine estiment que faire voler un 747 à travers l’Atlantique en utilisant de l’hydrogène liquide nécessiterait de remplir tout son espace passagers et cargo avec du carburant. Pour contourner ce problème, certains penchent pour le recours à l’ammoniac fabriqué à base d’hydrogène propre ou à des hydrocarbures synthétiques.
Au niveau du chauffage des logements et des bureaux, en termes d’efficacité, les pompes à chaleur électriques sont plus performantes que les chaudières domestiques alimentées à l’hydrogène. Néanmoins, pour une production de masse de chaleur, il peut s’avérer plus rentable de brûler de l’hydrogène dans des chaudières que d’installer un grand nombre de pompes à chaleur qui, en outre, coûtent chères en entretien. En août dernier, le gouvernement britannique a rendu public un plan de production d’hydrogène portant sur 5 gigawatts d’ici 2030 pour remplacer le gaz naturel dans les applications domestiques et industrielles.
La décarbonation des transports terrestres passe pour le moment essentiellement par le recours au moteur électrique alimenté par des batteries coûteuses et polluantes. L’autonomie et le temps de recharge constituent, pour le moment, les principaux handicaps des voitures électriques. L’utilisation de l’hydrogène permettrait de s’en affranchir sous réserve de disposer de réseaux de stations et de réduire le coût des piles à combustible. Toyota a investi dans cette technologie dès le début des années 1990. BMW, Mercedes ou Renault ont également des programmes de recherche sur ce mode de motorisation. Si les résultats en termes d’efficacité par rapport aux moteurs alimentés par des batteries sont décevants pour les véhicules particuliers, ils sont plus encourageants pour les camions qui doivent parcourir de longues distances.
Alstom exploite des trains à hydrogène en Allemagne. L’entreprise pense que bon nombre des 5 000 trains diesel qui seront retirés en Europe d’ici 2035 pourraient être remplacés par des trains à hydrogène. D’ici 2030, les trains à hydrogène pourraient représenter un dixième de ceux qui ne sont pas encore électrifiés. Selon le Boston Consulting Group (BCG), l’hydrogène pourrait être compétitif en termes de prix par rapport aux autres sources d’énergie pour les trains d’ici 2030, même sans tarification du carbone.
Les opérateurs de ferries en Norvège et sur la côte ouest des États-Unis expérimentent actuellement des ferries court-courriers alimentés par des piles à combustible à hydrogène.
L’hydrogène est également exploité dans les charriots élévateurs qui sont utilisés, en particulier, dans les entrepôts de stockage, en permanence. L’absence d’émissions polluantes et la rapidité des ravitaillements constituent des atouts par rapport aux autres sources d’énergie.
En France, des collectivités locales (Territoire de Belfort) s’engagent en faveur de l’hydrogène avec un objectif de maintenir ou de développer des pôles industriels tout en décarbonant la production. ment des collectivités territoriales.
Une compétition s’engage entre les batteries électriques et l’hydrogène pour s’imposer comme moyen de stockage de l’énergie électrique décarbonée. Pour le moment, les batteries ont pris une longueur d’avance. Si des progrès sont réalisés rapidement en termes d’autonomie et de rapidité de charge, elles pourraient supplanter l’hydrogène qui conserverait son image d’éternel perdant. Ce dernier est handicapé par sa faible densité et de son caractère explosif. L’issu de ce match n’est pas certain. Au début du vingtième siècle, les moteurs électriques avec batteries avaient cru l’emporter sur les moteurs thermiques avant d’être abandonnés. Leur retour en force prouve que des solutions anciennes peuvent avoir une seconde jeunesse.