Transition énergétique : l’hydrogène comme vecteur d’énergie décarbonée en Europe

Avec la publication de son Green Deal fin 2019, l’Union européenne s’est fixé l’objectif d’atteindre la neutralité climatique en 2050. Face à ce challenge politique, économique et industriel sans précédent, l’UE voit dans l’hydrogène une solution d’avenir pouvant permettre de décarboner le système énergétique européen à moindre coût. C’est dans ce contexte que qu’elle a publié en juillet 2020 sa stratégie hydrogène, prévoyant notamment le déploiement d'une capacité d'hydrogène de 6 GW d'électrolyseurs d'ici 2024 et de 40 GW d'ici 2030.

Afin de mieux appréhender le rôle que pourrait jouer l'hydrogène dans la transition énergétique européenne, les experts Economic Advisory de Deloitte se sont associés aux laboratoires de recherche IFP Energies Nouvelles (en France) et SINTEF (en Norvège) dans le cadre d’un projet de recherche conjoint, Hydrogen for Europe (Hydrogen4EU).

Cette étude se fonde sur une modélisation complexe du système énergétique européen, en s’appuyant notamment sur trois modèles de pointe (HyPE, MIRET-EU et Integrate Europe, respectivement développés par Deloitte, IFPEN et SINTEF) permettant de simuler le comportement du système énergétique européen d’ici à 2050. L’objectif est de guider les décideurs politiques et l’industrie dans leurs stratégies de décarbonation dans l’optique de l’atteinte de la neutralité climatique en 2050. La modélisation permet également d’étudier le rôle des importations d’hydrogène venant d’autres régions du monde, comme la Russie, l’Ukraine, l’Afrique du Nord ou le Moyen-Orient.

Sur la base d'une analyse complète du système énergétique européen, nos modèles ont montré que l'hydrogène sera l’une des clés de voute de la décarbonation de certains secteurs pour lesquels les émissions de CO2 sont difficiles à réduire, comme la sidérurgie, l’industrie chimique ou encore le transport lourd. Notre analyse montre également qu'un mix d'hydrogène renouvelable (produit à partir d’énergies renouvelables) et bas-carbone (produit à partir de gaz naturel et dont les émissions de CO2 sont réduites par la capture et le stockage (CCS) du CO2 émis au cours du processus de production) permet d’atteindre l'objectif de neutralité climatique à moindre coût.

Johannes Trüby, expert Energy, Resources & Industries
et Directeur Economic Advisory

Hydrogen4EU apporte un éclairage inédit sur les trajectoires possibles de décarbonation du secteur de l’énergie en Europe. L’étude montre notamment que l'hydrogène, renouvelable et bas-carbone, peut jouer un rôle important en permettant notamment de décarboner les secteurs pour lesquels les émissions de CO2 sont difficiles à réduire (la sidérurgie et la chimie, le transport, ou les bâtiments). Notamment, l’étude montre que l’hydrogène joue un rôle clé dans l’intégration des énergies renouvelables dans le futur système énergétique européen ou encore dans la production de carburants alternatifs dans le transport aérien et maritime.

Le projet montre également que la contribution de l'hydrogène à la décarbonation du système énergétique de l'UE peut largement dépasser les ambitions de la stratégie hydrogène, puisque la demande d'hydrogène atteint près de 10 millions de tonnes en 2030 et dépasse les 100 millions de tonnes d'ici 2050 (soit plus de 3300 TWh d’énergie-équivalent).

Notre étude montre que certains secteurs pour lesquels il est difficile de réduire les émissions de CO2 car l’électrification y est coûteuse ou techniquement difficile, utiliseront de l’hydrogène pour se décarboner. C’est notamment le cas pour les transports lourds dont la consommation d’hydrogène atteint près de 50 Mt dans notre scénario central en 2050, pour propulser poids lourds, avions et navires. C’est aussi vrai pour certaines industries lourdes, comme la sidérurgie ou la chimie. Au total, la consommation d’hydrogène renouvelable et bas-carbone par l’industrie en 2050 représente près de 45 Mt dans le scénario principal.

La modélisation réalisée dans le cadre de l’étude Hydrogen4EU explore deux scénarios représentant chacun des politiques énergétiques européennes différentes mais respectant bien l’objectif de neutralité climatique à 2050 :

• Scénario 1 : "Technology diversification", fondé sur une diversification des technologies de décarbonation, cherchant à minimiser le coût total de la transition énergétique européenne ;
• Scénario 2 : "Renewable Push", dans lequel l’accent est mis sur le développement de solutions d’énergies renouvelables.

Les deux scénarios montrent qu’il existe, dans tous les cas, une forte complémentarité entre plusieurs solutions de décarbonisation (hydrogène bas carbone et renouvelable, énergies renouvelables, carburants alternatifs, efficacité énergétique, solutions de capture, stockage et utilisation du CO2).

Cette complémentarité est d’autant plus prégnante s’agissant de la future production d’hydrogène en Europe. En effet, l’étude montre que, peu importe le scénario envisagé, l’hydrogène renouvelable et bas-carbone seront nécessaires et complémentaires. Tandis que l’hydrogène bas-carbone permet à l’industrie européenne de l’hydrogène de se développer dans la décennie à venir, l’hydrogène renouvelable devient lui une solution prépondérante à plus long terme et répond à l’essor de la demande croissante en hydrogène. En 2050, le mix de production d’hydrogène en Europe est très équilibré dans le scénario « Technology Diversification », puisque l’hydrogène bas carbone et l’hydrogène renouvelable se partagent à parts égales la production d’hydrogène en Europe. Dans le scénario "Renewable Push", l'hydrogène renouvelable joue un rôle dominant, étayé par des objectifs plus importants en termes de développement des énergies renouvelables en Europe. L'hydrogène renouvelable est principalement produit à l’aide d’électrolyseurs décentralisés. L'hydrogène bas-carbone montre quant à lui un bon potentiel pour les reformeurs équipés de technologies de capture et de stockage de CO2 (CCS) et, dans une moindre mesure, pour la pyrolyse.

L'étude confirme l'importance d'investir dans les énergies renouvelables dès la prochaine décennie. Dans le scénario "Renewable Push", plus de 1 800 GW de capacités solaires et éoliennes dédiées à la production d’hydrogène et 1 600 GW d'électrolyseurs sont nécessaires d'ici 2050. Le maintien d'un déploiement accéléré des énergies renouvelables pourrait coûter jusqu'à mille milliards d'euros de plus que l'adoption d'une approche plus diversifiée sur le plan technologique. Si l'on considère l'ensemble de la chaîne de valeur, nos résultats montrent que des investissements de plusieurs milliers de milliards d'euros sont nécessaires pour exploiter pleinement le potentiel de l'hydrogène dans la transition énergétique. Ces investissements dans les infrastructures, les énergies renouvelables, le CCUS ou la fabrication d'électrolyseurs doivent démarrer rapidement afin de garantir que la demande et l'offre augmentent au même rythme, éviter les blocages technologiques ou les risques d'actifs échoués. Il convient de noter que les besoins en injection de stockage de CO2 pourraient atteindre 1,4 Gt en 2050, ce qui montre que l'Europe doit absolument anticiper ses investissements dans ce secteur.

L'étude souligne également que la production d’hydrogène en Europe devra être complétée par des importations en provenance de Russie, d'Afrique du Nord ou du Moyen-Orient. Ainsi, dès 2030, les importations d’hydrogène en provenance de ces régions augmentent de façon graduelle. En 2050, entre 10 à 15 % de l'approvisionnement en hydrogène en Europe est importé.

Les traditionnels exportateurs de gaz naturel (Russie, Algérie) sont les mieux placés pour exporter de l'hydrogène vers l'Europe. Notre modélisation montre notamment que l’existence d’infrastructures de transport (gazoducs) transfrontalières constitue un avantage comparatif ; le transport maritime étant une alternative coûteuse.

Évaluation du potentiel des importations d'hydrogène en Europe
- notre modèle HyPE

La stratégie hydrogène de l’Union européenne met en avant des besoins futurs en importations d’hydrogène. Dans cette optique, le projet Hydrogen4EU a comporté une évaluation quantitative du potentiel des importations d'hydrogène en provenance des régions voisines. Pour cela, les experts en modélisation des systèmes énergétiques de Deloitte ont mis au point un outil quantitatif sur mesure et de pointe, visant à modéliser les importations potentielles d'hydrogène en dehors de l'Europe.

Le modèle Hydrogen Pathway Exploration (HyPE) est fondé sur une représentation précise de la chaîne de valeur des importations d’hydrogène. Sont pris en compte les méthodes de production locales, les différents modes de transport ainsi que les étapes de conversion/reconversion, depuis les différents sites d'origine possibles jusqu'aux divers points d'entrée en Europe. L'approche prend en compte les différents itinéraires et modes de transport possibles afin de définir les coûts de l'hydrogène importé (Levelized Cost Of Hydrogen).

Cette modélisation permet de répondre à de nombreuses questions analytiques et permet d’éclairer les décideurs publics dans leurs orientations stratégiques. Par exemple, le modèle peut aider à comprendre la relation entre les coûts et la distance de transport. Il peut aider à identifier les routes d'importation d'hydrogène les moins coûteuses ou à mieux comprendre les besoins en termes d'infrastructures (ports, gazoducs, bateaux, etc.).

Si notre étude souligne le rôle important que peut jouer l’hydrogène dans l’atteinte de la neutralité carbone d’ici 2050, elle montre aussi que la diversité technologique permet d’atteindre cet objectif à moindre coût. Notre étude montre également que le calendrier est une dimension critique. Afin que l’hydrogène puisse pleinement jouer son rôle dans l’objectif de l’atteinte de la neutralité climatique, des investissements considérables, de l’ordre de 3,1 à 5,5 milliers de milliards d’euros dans l’ensemble de la chaîne de valeur de l’hydrogène doivent être rapidement mobilisés.

À propos de l’étude Hydrogen4EU
Hydrogen4EU est un projet de recherche intersectoriel visant à évaluer concrètement la contribution de l'hydrogène renouvelable et bas-carbone à la réalisation des objectifs européens en matière de transition énergétique. Sur la base d'une modélisation élaborée par plusieurs partenaires de recherche (l’IFP Énergies Nouvelles, le SINTEF et Deloitte), le projet vise à explorer le rôle de l'hydrogène dans un la décarbonation du système énergétique européen. Cette étude s’est déroulée sur plus de 14 mois de de travaux de recherche. Elle a été financée par 17 partenaires, acteurs majeurs de l’industrie de l’énergie en Europe et dans le monde : BP, ConocoPhillips, Concawe, ENI, Equinor, Ervia, ExxonMobil, Gassco, Hydrogen Europe, IOGP, Norwegian Oil & Gas Association, OMV, Shell, Snam, Total, Wintershall Dea, Zukunft Gas.