Une étude allemande analyse les opportunités spécifiques d’application de l’électrification et du déploiement de l’hydrogène en Europe.
Utiliser une combinaison d’électricité directe dans les pompes à chaleur et les véhicules électriques (VE) et la convertir en hydrogène pour des carburants à faible teneur en carbone pourrait être une stratégie prometteuse pour aider l’Union européenne à atteindre son objectif d’éliminer les émissions de carbone d’ici 2050. C’est la principale conclusion d’une étude qui évalue les impacts potentiels de l’augmentation de l’électrification et de l’utilisation de l’hydrogène pour remplacer les combustibles fossiles dans les secteurs industriels, du bâtiment et des transports.
Une équipe de recherche de l’Institut de recherche sur l’impact du climat de Potsdam (PIK) en Allemagne a utilisé un modèle informatique pour examiner plusieurs scénarios de transition dans le système énergétique de l’Union européenne. Ils ont identifié deux stratégies pour coupler le secteur de l’énergie à d’autres applications énergétiquement intensives : privilégier « l’électrification directe » pour les véhicules de tourisme et le chauffage basse température, et l' »électrification indirecte » à travers l’hydrogène et la conversion de carburants synthétiques pour les industries chimiques, maritimes, aéronautiques et de stockage d’électricité.
Panneaux solaires et une éolienne. Image fournie avec l’aimable autorisation de Pexels
La croissance de l’utilisation des ressources éoliennes et solaires dans le secteur de l’énergie en Europe sous-tend ces conclusions, avec une part d’électricité renouvelable passant de 14% en 1990 à 38% en 2020. Les énergies renouvelables soutiennent l’objectif de l’UE pour 2030 de réduire les émissions de 55% (par rapport à 1990) et d’atteindre la neutralité des émissions de gaz à effet de serre d’ici 2050. Néanmoins, la consommation d’énergie non électrique dans les bâtiments, les transports et les applications industrielles dépend encore largement des combustibles fossiles.
Une répartition de la part d’énergie finale (FE) de l’électrification (directe) et de l’hydrogène (électrification indirecte) selon le scénario. Image fournie avec l’aimable autorisation des auteurs de l’étude (Figure 1)
Selon les scénarios modélisés, l’électricité et les carburants à base d’hydrogène pourraient représenter de 73 à 78% de l’énergie finale requise dans les 27 États membres de l’UE d’ici 2050. L’électrification directe pourrait être la stratégie dominante, passant d’une part de 20% de la consommation énergétique totale en 2020 à 42-60% d’ici 2050. L’électricité indirecte pourrait représenter de 9% à 26% pour l’énergie à base d’hydrogène utilisée dans les secteurs difficiles à électrifier, tels que la production chimique et le transport à longue distance.
Pendant ce temps, la demande d’électricité de l’UE devrait augmenter de 80% à 160% d’ici le milieu du siècle, générant de 5 200 à 7 300 TWh par an. Cette croissance s’accompagne de besoins importants liés aux énergies renouvelables variables et à leur intégration. Entre 2025 et 2050, on estime que l’Europe ajoutera une capacité annuelle de 60 à 110 GW de photovoltaïque solaire et de 40 à 60 GW d’énergie éolienne. La nature intermittente de ces deux ressources crée des défis pour le réseau électrique de l’Europe, car la région continue de remplacer progressivement les ressources fossiles qui produisent de l’énergie à la demande pour compenser la volatilité des énergies renouvelables.
Électrification directe : véhicules électriques et chauffage basse température
L’étude, publiée récemment dans la revue One Earth, définit l’électrification directe comme le passage à des technologies de pointe utilisant l’électricité, comme les véhicules électriques à batterie (VEB), les pompes à chaleur électriques sur site et le chauffage électrique résistif dans les bâtiments et les installations industrielles.
L’Europe est déjà en train de développer ces applications. Le plan REPowerEU vise à ajouter 60 millions de nouvelles pompes à chaleur d’ici 2030, contre environ 20 millions d’installations actuellement. L’UE a également interdit la vente de voitures à moteur à combustion interne (ICE) conventionnelles d’ici 2035. L’électrification directe convient le mieux aux voitures de tourisme et au chauffage basse température. Les deux applications sont conformes au plan de transition énergétique de l’UE.
La combinaison de l’électrification avec une stratégie axée sur l’hydrogène peut répondre aux besoins du transport routier à longue distance et des processus industriels utilisant de l’hydrogène, tels que les minéraux non métalliques. Les autres secteurs industriels, tels que les métaux non ferreux, la pâte et le papier, l’alimentation et la machinerie, pourraient atteindre des niveaux élevés d’électrification avec des pompes à chaleur ou du chauffage résistif, qui génèrent des températures basses à moyennes.
Demande d’électricité selon les scénarios (A) et les secteurs (B), y compris les pertes de transmission et la consommation du système énergétique. Image fournie avec l’aimable autorisation des auteurs de l’étude (Figure 4)
L’étude préconise le développement des énergies renouvelables et le passage à des technologies électriques lorsque cela est possible, ce qui est le moyen le plus économique et le plus rapide d’éliminer les émissions de carbone dans la plupart des secteurs. Les décideurs politiques pourraient favoriser une transformation des utilisations finales en faveur de l’électrification directe tout en privilégiant l’hydrogène et les carburants synthétiques qui utilisent partiellement les infrastructures et les applications existantes.
Électrification indirecte : hydrogène et carburants synthétiques
Les chercheurs du PIK définissent l’électrification indirecte comme la conversion de l’électricité en hydrogène ou en carburants synthétiques à faible teneur en carbone pour les voitures à ICE ou les chaudières à gaz. Elle peut également soutenir des technologies d’utilisation finale alternatives comme la sidérurgie à base d’hydrogène et les piles à combustible.
La demande de transporteurs d’énergie à base d’hydrogène de l’UE atteindra de 1 000 à 2 600 TWh par an d’ici 2050. Environ 500 TWh de cette demande totale sont des carburants synthétiques utilisés comme transporteurs d’énergie carbonée non fossile pour la production chimique et le transport à longue distance, comme la navigation et l’aviation.
Malgré une forte demande, l’électrification indirecte présente quelques défis. Contrairement à l’électricité, de plus en plus disponible et économe en énergie, la conversion en hydrogène et en carburants synthétiques (ainsi que leur combustion) produit d’importantes pertes d’énergie. La production d’hydrogène vert nécessite également de l’électrolyse, une alternative à faible teneur en carbone aux procédés actuellement dominants utilisant le gaz naturel ou le charbon. La capacité d’électrolyse est encore faible dans l’UE, à moins de 10 TWh par an. L’UE doit rapidement développer son approvisionnement en hydrogène électrolytique sans détourner une quantité importante d’énergie renouvelable nécessaire à une électrification plus efficace.
Demande d’hydrogène et de carburants synthétiques selon les scénarios (A) et les secteurs (B). Image fournie avec l’aimable autorisation des auteurs de l’étude (Figure 3)
Le transport de l’hydrogène constitue un autre obstacle, nécessitant des importations coûteuses par navire ou des infrastructures de distribution via des pipelines à hydrogène nécessitant une planification réglementaire approfondie et de longs délais de construction.
Les chercheurs du PIK ont suggéré d’étendre les chaînes d’approvisionnement en hydrogène en encourageant l’utilisation de l’hydrogène électrolytique grâce à différentes stratégies de tarification capitalisant sur l’énergie renouvelable variable, en utilisant l’énergie éolienne et solaire aux heures où l’offre est abondante et les prix de l’électricité sont bas.