Électrolyseurs pour l'hydrogène : une filière contrainte à la marche forcée

Produire 10 millions de tonnes d’hydrogène bas carbone par an dès 2030, comme l’a fixé le plan européen RepowerEU, se traduit par un besoin urgent en électrolyseurs. Pour atteindre cet objectif, il faudrait installer 140 gigawatts (GW) de capacités en six ans, dont 6,5 GW rien qu’en France. Donc une immense quantité d’électrolyseurs, à un rythme effréné… Sans compter qu’auparavant, il faudra les fabriquer ! Si ses ambitions se réalisent, l’Europe représentera à elle seule dix ans des capacités mondiales actuelles de production (14 GW).

Les fabricants et candidats fabricants d’électrolyseurs européens sont priés de se lancer très rapidement dans la construction d’usines de production de masse, pour lesquelles tout est à inventer. L’urgence est d’autant plus grande que de redoutables concurrents sont partis avec un temps d’avance. La Chine devrait compter six des dix plus grands producteurs d’électrolyseurs (en termes de capacité) d’ici à la fin de l’année, selon Bloomberg New Energy Finance. Et elle concentre déjà la moitié des capacités mondiales de production, estime l’Agence internationale de l’énergie (AIE). De quoi faire craindre que ne se répète le scénario catastrophe de la filière photovoltaïque, avec des acteurs chinois construisant une industrie hégémonique sur le dos d’un marché européen largement subventionné.

Source : AIE - Crédit : Industrie & Technologies

Source : AIE - Crédit : Industrie & Technologies

Comme l’explique Emmanuel Bensadoun, expert au sein de l’association France Hydrogène, «le problème est que les Chinois ont des niveaux de coûts très bas sur les équipements clés des électrolyseurs comme les stacks [empilements de cellules composées d’une membrane, d’électrodes et de plaques bipolaires, ndlr], en moyenne deux à trois fois moins chers que ce que nous savons faire en Europe. Et nous sommes déjà en retard sur les cadences de production, donc nous n’avons pas autant d’effets d’échelle. Quoi qu’il arrive, nous ne pourrons jamais concurrencer les prix de la Chine.»

L’innovation, atout de l’Europe

D’autant que pour soutenir sa production, le pays peut s’appuyer sur son immense marché intérieur. Pour Marc Florette, membre de l’Académie des technologies et coauteur d’un rapport sur les stratégies française et chinoise en matière d’hydrogène, «la Chine pourra fabriquer massivement de l’hydrogène à partir d’électricité d’origine renouvelable sur de grandes zones dans les régions qui s’y prêtent, que ce soit avec de l’éolien, de l’hydraulique ou du solaire. Pour ce dernier point, elle peut en plus compter sur sa production massive de panneaux photovoltaïques.»

L’Europe et ses fabricants ont-ils les moyens de résister ? La capacité d’innovation du Vieux Continent est mise en avant. «Les possibilités de nous différencier sont nombreuses, pointe Emmanuel Bensadoun. Sa tradition de recherche sur les technologies de l’hydrogène donne une avance à la France. Le CEA se penche sur ces sujets depuis longtemps. Ces recherches se sont diffusées dans des start-up et des laboratoires, qui travaillent sur des innovations de rupture, sur la production d’hydrogène notamment, ou par processus itératif pour améliorer les technologies existantes comme l’électrolyse PEM ou alcaline.»

Valoriser une production locale

La proto-filière française en appelle cependant au régulateur européen pour valoriser une production locale forcément plus chère. Les utilisateurs finaux de l’hydrogène appellent à une réglementation similaire à l’Inflation reduction act américain. François Legalland, le directeur du CEA-Liten, insiste sur la nécessité de «de mettre en place des conditions de marché adéquates, avec des aides aux industriels qui construisent les usines et les giga-usines d’électrolyseurs ainsi qu’à l’écosystème d’équipementiers et de fournisseurs associés. C’est un enjeu de souveraineté.» De premiers efforts ont déjà été faits dans le cadre du règlement pour une industrie «zéro émission nette» (NZIA), adopté en février, qui «vise à protéger les briques technologiques européennes – batterie, photovoltaïque, électrolyseur, pile à combustible – pour éviter que toute cette transition ne se fasse qu’avec celles développées en Chine», reconnaît François Legalland.

CEA

À Toulouse, le CEA cherche à prolonger la durée de vie des stacks d’électrolyseurs. © CEA

Une autre ombre plane sur les projets de gigafactories d’électrolyseurs qui fleurissent en Europe : la demande en hydrogène, donc en électrolyseurs, sera-t-elle au rendez-vous ? En mars, le CEA a tiré la sonnette d’alarme. Selon l’étude Sisyphe de son Institut de recherche et d’études en économie de l’énergie, la demande en hydrogène n’atteindrait que 2,5 millions de tonnes (Mt) en 2030. Soit environ huit fois moins que les objectifs fixés par RepowerEU, qui prévoit d’en importer 10 Mt en plus des 10 Mt produits sur place.

Cette estimation fait écho au constat dressé par l’AIE dans son dernier rapport. Parmi tous les projets de production d’hydrogène par électrolyse identifiés au niveau mondial, seuls 4 % ont obtenu une décision finale d’investissement mi-2023, avertit l’Agence. «Les producteurs ont tendance à se lancer sans s’assurer de leurs débouchés auprès des utilisateurs. Énormément de projets n’ont pas trouvé d’acheteurs pour leur hydrogène», constate Karine Vernier, la directrice générale d’EIT InnoEnergy France.

Un manque de maturité technologique

Quant aux technologies, toutes n’ont pas atteint le niveau de maturité espéré. Et même les plus avancées, comme l’alcalin, ont montré des défaillances inattendues ces derniers mois. À Kuqa, en Chine, dans la plus grande unité de production d’hydrogène vert au monde, opérée par Sinopec, un problème de sécurité a touché les électrolyseurs alcalins de forte puissance. «La cellule d’électrolyse alcaline comporte un diaphragme séparant les deux électrodes – l’oxygène est produit à l’anode, l’hydrogène à la cathode –, qui présente une porosité pour laisser circuler l’électrolyte. Lorsque le courant appliqué est faible, l’électrolyseur produit peu d’hydrogène et d’oxygène. Les bulles de gaz s’évacuent moins rapidement, engendrant une sursaturation en hydrogène à proximité du diaphragme et une dissolution dans l’électrolyte. L’hydrogène peut alors être transporté vers l’anode et se mélanger à l’oxygène, ce qui pose des problèmes de sécurité car il ne faut pas atteindre la limite d’explosivité», détaille Julie Mougin, la directrice adjointe du CEA-Liten, chargée des technologies hydrogène.

«Ce problème est dû, en partie, au dimensionnement de ces gros électrolyseurs. Le fait qu’il n’ait pas été détecté plus tôt montre bien que nous sommes dans une période de transition entre la fin du développement technologique et la mise en œuvre industrielle. On constate encore des phénomènes qui ne pouvaient être anticipés en phase de construction et qui engendrent des modifications de design», souligne Emmanuel Bensadoun. Ces étapes d’ajustement liées à la montée en échelle rappellent celles rencontrées par les industries du photovoltaïque et des batteries.

Des retours d'expérience cruciaux

À un détail près : l’enjeu de déploiement est tel que «l’on ne se rend pas compte que l’industrialisation n’est pas terminée, prévient -Emmanuel Bensadoun. À ma connaissance, jamais une filière à ce niveau de maturité n’a été mise en tension à ce point.» Les industriels n’ont donc pas d’autre choix que d’utiliser les technologies à leur niveau de performance actuel et «de fabriquer des produits qui fonctionnent bien et dont on peut changer facilement un composant défectueux».

Les premiers retours d’expérience sont cruciaux pour ceux qui se lancent dans les électrolyseurs de forte puissance. Car «on part presque d’une page blanche. Tous les résultats disponibles concernent des composants de puissance moyenne. Et on n’a pas de données sur les fermes d’électrolyseurs de 200 MW. Il faut que les industriels et la communauté universitaire mondiale s’organisent pour confirmer que les mécanismes de vieillissement à petite échelle sont toujours valables et comprendre comment ils augmentent avec l’intermittence de l’alimentation et les ondulations de courant», indique Christophe Turpin, le responsable scientifique de la plateforme hydrogène du laboratoire Laplace, à Toulouse, qui conclut : «Le chantier est immense.»