L'hydrogène propre à 1,50 $/kg pourrait favoriser une décarbonisation importante. Que faudra-t-il pour y parvenir avec de l'électricité renouvelable ?
L'hydrogène produit pour 1,50 $/kg pourrait être l'option de décarbonisation la plus compétitive pour une fraction importante de la demande énergétique mondiale. Que faudra-t-il faire pour que l'hydrogène propre produit à partir d'électricité renouvelable atteigne ce coût ? Il est probable que des améliorations technologiques monumentales seront nécessaires si nous n'utilisons que les surplus d'électricité renouvelable qui seraient autrement réduits. Et si nous voulons disposer de grandes quantités d'hydrogène renouvelable à ce prix, nous devrons produire de l'électricité renouvelable à très bas prix, et pas seulement de l'électricité "excédentaire". Voici pourquoi : fondamentalement, l'hydrogène renouvelable est une extension de l'électricité renouvelable, comme l'énergie solaire et éolienne, et tant que ces énergies ne seront pas très bon marché et très abondantes, l'hydrogène renouvelable ne sera pas bon marché et abondant non plus.
La raison est enfouie dans la façon dont l'hydrogène renouvelable est fabriqué. Un dispositif appelé électrolyseur utilise l'électricité pour séparer les molécules d'eau en molécules d'hydrogène et en molécules d'oxygène. Il faut environ 52 kilowattheures d'électricité pour produire un kilogramme d'hydrogène de cette manière, à peu près. (Les estimations réelles de l'efficacité varient et dépendent, entre autres, de ce qui est inclus dans la définition du système).
À partir de ce rendement de base, nous pouvons faire quelques calculs élémentaires. Si vous possédez un électrolyseur et que vous souhaitez fabriquer de l'hydrogène renouvelable, alors si l'électricité renouvelable vous coûte cinq cents US par kilowattheure (5 cents/kWh), le seul coût d'achat de cette électricité se traduira pour vous par un coût de production d'hydrogène de 2,60 $/kg. L'estimation du coût moyen nivelé de l'électricité (LCOE) pour les nouveaux parcs éoliens aux États-Unis en 2019 était de 3,5 cents/kWh. Si vous payiez ce prix pour l'électricité, votre hydrogène coûterait 1,82 $/kg, avant de prendre en compte tous les autres coûts de production, comme l'achat et l'exploitation d'un électrolyseur.
Dans quelle mesure l'électrolyseur lui-même contribue-t-il au coût de l'hydrogène renouvelable ? Les avis sur ce point sont très partagés. Une étude récente menée aux Pays-Bas a estimé le coût d'un très grand projet à 1 400 euros par kilowatt (environ 1 700 dollars/kW). Les analystes de Bloomberg New Energy Finance estiment que le coût pourrait tomber à 115 dollars/kW d'ici 2030. Il va sans dire qu'il s'agit là d'une fourchette énorme, qui fait l'objet de spéculations importantes dans les milieux politiques. Comme point de référence pratique, l'Agence internationale de l'énergie indique que les électrolyseurs coûtent aujourd'hui 900 $/kW et que le coût pourrait tomber à 700 $/kW d'ici 2030.
Voyons ce que ces chiffres peuvent signifier pour le coût de l'hydrogène renouvelable. Si vous achetez un électrolyseur au prix de 900 $/kW indiqué par l'AIE aujourd'hui, et que vous le financez sur plusieurs décennies à un taux de rendement de la dette et des capitaux propres commercial typique, il pourrait vous coûter 85 $ par an en récupération du capital pour chaque kW de capacité acheté. (Cela représente un facteur de récupération du capital légèrement supérieur à 9 %, ce qui est proche de ce que l'AIE suppose dans ses analyses). Si vous ne faites fonctionner l'électrolyseur qu'un seul jour par an, le coût du paiement de l'électrolyseur s'élèverait à environ 200 dollars pour chaque kilogramme d'hydrogène produit. De toute évidence, personne ne le ferait !
L'impact de la fréquence de fonctionnement d'un investissement tel qu'un électrolyseur est pris en compte dans le facteur de capacité, généralement exprimé en pourcentage du fonctionnement 24/7/365. Les grands projets récents d'énergie éolienne aux États-Unis ont un facteur de capacité annuel d'environ 40 %. Les centrales nucléaires ont souvent un facteur de capacité annuel supérieur à 90 %. Les projets d'énergie solaire photovoltaïque en Californie sont plutôt de l'ordre de 25 %.
C'est beaucoup mieux qu'un jour par an, et si vous achetez de l'électricité renouvelable à partir de l'une de ces sources, vous produisez beaucoup plus qu'un jour d'hydrogène renouvelable. Avec un facteur de capacité annuel de 40 % pour l'énergie éolienne, les dépenses d'investissement pour l'électrolyseur de 900 $/kW s'élèvent à environ 1,25 $/kg d'hydrogène, ou 1,45 $/kg si l'on tient compte des coûts d'exploitation et de maintenance.
Le coût total de la production d'hydrogène est le coût annuel de financement et d'entretien de l'électrolyseur, plus l'achat de l'électricité renouvelable pour le faire fonctionner. Si vous achetez un électrolyseur au prix actuel de 900 $/kW indiqué par l'AIE, que vous payez un peu plus de 9 % par an de récupération du capital, plus quelques frais d'exploitation et de maintenance, et que vous l'alimentez à partir d'un parc éolien américain typique produisant de l'électricité avec un facteur de capacité de 40 % et payant 3,5 cents/kWh en moyenne pour cette électricité, alors votre hydrogène coûtera 3,27 $/kg (1,82 $/kg + 1,45 $/kg). Une politique axée sur le climat doit soutenir la production à ce niveau de coût à court terme, mais nous devons faire baisser ces coûts.
Dans la figure ci-dessous, l'impact des améliorations potentielles de l'électrolyseur sur le coût de production de l'hydrogène est représenté en fonction du prix de l'électricité propre et du facteur de capacité. La ligne pleine correspond à l'électrolyseur actuel de l'AIE et à la combinaison du prix de l'électricité renouvelable et du facteur de capacité de l'électricité renouvelable qui donne 1,50 $/kg d'hydrogène. Au-dessus et à gauche de la ligne pleine, l'hydrogène produit par l'électrolyseur actuel de l'AIE coûte plus de 1,50 $/kg à produire. En dessous et à droite de cette ligne, l'hydrogène produit par cet électrolyseur coûte moins de 1,50 $/kg.
Malheureusement, pour produire de l'hydrogène renouvelable au prix de 1,50 dollar par kilogramme, il faut disposer d'une électricité renouvelable gratuite pour faire fonctionner l'électrolyseur à un facteur de capacité de près de 40 % ou, si vous devez payer l'électricité, celle-ci ne doit pas coûter plus de 1,8 cents/kWh si elle est disponible à un facteur de capacité de 100 %, et un coût encore plus bas si elle est disponible à un facteur de capacité inférieur à 100 %. Cette combinaison d'un facteur de capacité élevé et d'une électricité renouvelable gratuite ou à très faible coût n'est tout simplement pas disponible.
Heureusement, ce n'est pas la fin de l'histoire. La ligne pointillée de la figure indique ce qui se passe si le coût de l'électrolyseur tombe aux 700 $/kW indiqués par l'AIE pour 2030. (La ligne reflète également une modeste amélioration de l'efficacité des électrolyseurs à cette date). Avec ce changement, vous pouvez vous permettre de payer un peu plus de 2,2 cents/kWh pour l'électricité renouvelable, si vous l'achetez à ce prix 24/7/365. Inversement, vous n'avez besoin que d'une électricité renouvelable disponible avec un facteur de capacité légèrement inférieur à 30 % si elle est gratuite.
Ce n'est pas encore une combinaison de facteur de capacité et de prix qui est généralement disponible pour l'électricité renouvelable. Mais l'orientation de ce qui est possible avec de meilleurs électrolyseurs est claire. Et bien que cela ne soit pas représenté sur la figure, nous pouvons calculer ce qui se passerait si un électrolyseur était disponible pour le coût très bas de 115 $/kW. À ce prix, il suffirait que l'électricité renouvelable gratuite soit disponible avec un facteur de capacité annuel d'environ 5 % pour obtenir 1,50 $/kg d'hydrogène. L'électricité renouvelable gratuite à un facteur de capacité de 5 % est similaire aux conditions de réduction de la production d'électricité renouvelable ou de production "excédentaire" observées dans certaines régions où les niveaux d'électricité renouvelable sont très élevés. Cela suggère que si les coûts de l'électrolyseur peuvent être considérablement réduits, couplés à un surplus d'électricité à très faible coût, il serait possible de produire de l'hydrogène renouvelable à 1,50 $/kg.
Le problème que pose le fait de s'appuyer sur des surplus d'électricité renouvelable presque gratuits pour la production d'hydrogène à grande échelle (outre la nécessité d'un électrolyseur à très faible coût) est que les volumes d'hydrogène que nous pouvons produire à partir de ces surplus risquent d'être assez limités. Fondamentalement, la réduction de la consommation ne devrait pas être une source évolutive d'énergie bon marché. Soit la production renouvelable excédentaire représente un coût pour le reste du système électrique, soit des marchés se développent pour utiliser cette production excédentaire, la concurrence pour cette ressource augmentant son prix. D'une manière ou d'une autre, à moins d'une surconstruction tentaculaire et coûteuse des énergies renouvelables, les volumes d'hydrogène que nous pouvons produire à partir de la production renouvelable interrompue semblent devoir être modestes, au mieux.
Toutefois, à l'extrémité très optimiste de l'éventail des coûts de l'électrolyseur, l'électricité renouvelable dédiée dont le prix peut atteindre 2,4 cents/kWh pourrait conduire à 1,50 $/kg d'hydrogène, si cette électricité est disponible avec un facteur de capacité annuel d'environ 30 %. Certains projets solaires photovoltaïques à grande échelle dans le sud-ouest des États-Unis semblent s'approcher de ce LCOE et de ce facteur de capacité. L'énergie éolienne a également connu des améliorations spectaculaires, même si elle se stabilise peut-être. Au cours des cinq années qui ont suivi 2009, le LCOE de l'énergie éolienne américaine a chuté de 47 %. Au cours des cinq années suivantes, jusqu'en 2019, le LCOE a encore baissé de 27 %.
Un développement et un déploiement monumentaux seront probablement nécessaires pour atteindre des coûts d'électrolyseur aussi bas. Le coût de 115 $/kW supposé par certains analystes est basé sur des extrapolations de courbes d'apprentissage à partir d'une base déjà faible qui ne reflète pas les installations américaines et ne comprend pas les coûts d'équipements tels que l'électronique de puissance qui, à elle seule, peut être importante pour des projets similaires. Nous devons nous préparer à payer 250 $/kW ou 500 $/kW ou plus pour déployer des électrolyseurs à grande échelle au cours des deux prochaines décennies. Cela peut être le sujet d'un autre billet ici. Mais si nous parvenons à progresser sensiblement vers des électrolyseurs aussi peu coûteux, nous pourrons commencer à produire à grande échelle de l'hydrogène renouvelable à un prix abordable en utilisant de l'électricité renouvelable à un prix réaliste, ce qui sera très positif pour la protection du climat.
