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L’enjeu de la pile à combustible et ses réseaux en Allemagne

Isabelle Bourgeois
p. 25-32

Résumé

20 équipes de collégiens et lycéens de Rhéna­nie du Nord-Westphalie participent en ce moment à un concours dont l’enjeu est l’alimentation électrique d’un télé­phone portable grâce à une pile à combustible. Sélec­tionnées parmi 174 équipes candidates, elles se sont vu remettre en février par la ministre de la Recherche du Land chacune une pile à combustible en kit offerte par le groupe Fuel Cell Europe (Hambourg) et un por­table fourni par Vo­dafone D2 (succursale de Hattingen). Les équipes lauréates ga­gneront un « Hy­Runner », modèle réduit de voiture à hy­dro­gène produit par la so­ciété h-tec Was­serstoff-Energie-Systeme GmbH (Lü­beck). A l’échelle natio­nale, un Prix de l’innovation pour l’hy­drogène et la pile à combus­tible, décerné par la Fédé­ration allemande de l’hydrogène DWV, récom­pen­sera les meilleurs thèses et travaux de fin d’étude réalisés courant 2004. L’intérêt pour ces technologies est très vif outre-Rhin, où le savoir-faire industriel est diffusé au­près d’une très large opinion avec l’appui des pouvoirs publics.

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Texte intégral

Technologies de l’hydrogène : un effet levier sur l’innovation

1Sources ‘propres’ d’électricité et de chaleur, les technologies de l’hydrogène inté­ressent vivement une opinion allemande très soucieuse de préserver l’environ­ne­ment. Ne produisant que peu de CO2, elles présentent en outre l’avantage de permettre la diversification des sources d’énergie primaire et d’optimiser en par­ticulier les énergies renouvelables. Intéressant à ce titre en premier lieu les mi­nis­tères de l’environnement, elles trouvent tout aussi naturellement leur place dans l’Energiemix allemand (voir REA 65/04), puisqu’elles sont à mêmes de ré­duire à terme la dépendance énergétique : l’hydrogène, vecteur omni­présent et inépui­sable, pourrait relayer progressivement les énergies fossiles. Pierre angu­laire de la future « économie de l’hydro­gène » vers laquelle tendent aujourd’hui les po­li­tiques d’innovation de l’UE et, plus généralement de tous les pays indus­tri­alisés, la pile à combustible commence à devenir aussi un enjeu stratégique de la poli­tique éco­no­mique et industrielle allemande. Moins pour le potentiel ‘révo­lu­tion­naire’ qu’on lui prête en matière d’approvisionnement énergétique que pour son effet le­vier sur l’innova­tion et la compétitivité du pays.

Quatre principaux types de piles à combustible

Le principe de la pile à combustible a été découvert en 1839 par le Britannique William Grove : la réaction électrochimique de l’hydrogène avec de l’oxygène permet de produire de l’électricité directement. La réaction s’effectue grâce à deux électrodes séparées par un électrolyte. Selon les caractéris­tiques de ces éléments, le mode de production d’électricité varie, de même que le niveau de température dégagé. Les applications (portable, transports, stationnaire) varient en consé­quence selon les quatre princi­paux types de piles à combustible existants :

● la pile à membrane échangeuse de protons, ou Proton Exchange Membrane Fuel Cell – PEMFC, dont l’électrolyte est un polymère solide,

● la pile à carbonate fondu, ou Molten Carbonate Fuel Cell – MCFC (électrolyte : sels fondus),

● la pile à oxyde solide, ou Solid Oxide Fuel Cell – SOFC (électrolyte : céramique),

● la pile à méthanol direct, ou Direct Methanol Fuel Cell – DMCF (électrolyte : polymère).

Les premières piles à combustible ont été construites dans les années 1960 pour les cap­sules Gemini. Ces applications spatiales ont ensuite déclenché les activités de R&D in­dus­trielle dans le domaine d’un nouveau type d’approvisionnement énergétique à partir des an­nées 1980. De­puis, les technologies liées à la pile sont dans l’ensemble maîtrisées. Il n’en va pas de même de son combustible : l’hydrogène, qui n’existe pas naturellement à l’état pur, et dont différents modes de production sont en cours de développement. Les pays indus­trialisés et l’UE viennent de lancer une vaste politique de soutien à la maîtrise de ce vecteur énergétique.

Pile à combustible : des enjeux multiples

2Les domaines d’application de la pile à combustible sont de trois ordres : l’ali­mentation en énergie d’appareils por­tables, la propulsion ou l’alimentation élec­trique des moyens de transport, ainsi que la production stationnaire de chaleur et d’électricité. L’avantage de l’hydrogène utilisé comme combustible est la faci­lité de son stockage ; il devrait donc s’im­poser dans tous les do­maines où un approvisionnement continu en électricité est requis, mais diffi­cile à réaliser. La pile à combustible devrait donc se substituer largement aux batteries tradi­tion­nelles et ouvrir de nou­velles perspectives à la génération mobile d’électri­cité dans le secteur des transports. Parallèlement, elle permettra une pro­duc­tion dé­centralisée d’électricité et/ou de chaleur, ce qui en fait un enjeu pri­mordial dans le contexte de la libéralisation des marchés énergétiques, mais aussi de la di­versification des sources d’ap­provisionnement.

Les principales applications des piles à combustible

Les principales applications des piles à combustible

Source des données : L-B-Systemtechnik, Brennstoffzellen- und Wasserstoff-Technologien als wirt­schaftliche Chance für Hamburg, 2004. *) APU: générateur électrique auxiliaire (Auxiliary Power Unit) ; **) au plus tôt.

Une Plateforme européenne pour les technologies de l’hydrogène

3Les technologies liées à la pile à combustible ont dès lors un effet levier trans­versal non négligeable sur la structuration à la fois de la filière énergé­tique et, plus généralement, de tous les produits et activités im­pliquant une alimentation électrique – on compare souvent leur impact potentiel à celui des semi-conducteurs. Pour l’instant, le calendrier de la commercialisation prévisionnelle des divers types de piles varie beaucoup : si le savoir-faire in­dustriel en matière de piles est largement développé, le recours à l’hydro­gène soulève des ques­tions de sé­curité, de coût et d’infrastructures encore inégalement maîtrisées. Ces ques­tions, qui ne sont pas spécifiques à l’Alle­magne, avaient motivé le lancement par la Commission européenne, en jan­vier 2004, d’une « Plateforme euro­péenne pour les technologies de l’hydro­gène et des piles à combustible » destinée à renforcer la compétence de l’UE dans « l’économie de l’hydrogène » et lui permettre de contribuer au partena­riat international conclu en novembre 2003 avec les Etats-Unis, l’Inde, la Chine et douze autres pays.

Ses membres allemands sont représentatifs

4Cette plateforme européenne est pilotée par un comité consultatif composé des acteurs clefs du secteur européen de l’hydrogène. Parmi ses 35 membres fi­gurent 10 représentants allemands (mais seulement trois français et trois britan­niques, parmi lesquels le président). Leur recrutement reflète la structuration de la filière hydrogène outre-Rhin, traduisant également le haut degré de globa­li­sation des activités dans ce domaine. Il révèle, par delà, le fonctionnement en réseaux de partenariat, caractéristique de l’industrie alle­mande en général, et de l’innovation industrielle en particulier. Pile à com­bustible et hydrogène ne font pas exception au schéma national d’innovation allemand, caractérisé par une étroite coopération des réseaux d’innovation et de partenariat entre les principales branches industrielles concernées, ainsi que par un flux per­manent de transfert de savoirs entre acteurs privés, pu­blics, et l’opinion.

Plateforme européenne pour l’hydrogène et les piles à combustible.

Une participation allemande représentative.

Parmi les membres allemands de la plateforme, on trouve, bien sûr, l’un des deux représentants des grandes ONG spécialisées dans la protection de l’environnement : WWF (l’autre, Green­peace, y siège au titre des Pays-Bas), ce qui reflète les préoccupations environnementales pro­noncées des Europé­ens du Nord. On y trouve également un re­présentant des pouvoirs publics, délégué en l’occurrence par le Land de Rhénanie du Nord-Westphalie, prin­ci­pal site énergétique et industriel alle­mand. Y figure ensuite le représentant d’une fondation associant acteurs pu­blics (Land de Bade-Wurtemberg, Uni­versités de Stuttgart et d’Ulm, Deut­sches Zentrum für Luft- und Raumfahrt) et privés (dont EnBW, Bosch, Daim­lerChrysler ou Telefunken Electro­nic). Cette fon­dation Zen­trum für Sonnen­energie- und Wasserstoff-Forschung (ZSW, Stuttgart), spé­cialisée dans la re­cherche sur l’énergie solaire et l’hy­drogène, était née en 1988 avec pour mission de soutenir la recherche fonda­mentale et appli­quée dans ces domaines, ainsi que ses applications in­dus­trielles, et de diffu­ser l’information sur ces innovations. Sa présence dans la plateforme re­flète le rôle fonda­mental des fondations dans le financement de la R&D allemande (voir REA 57/02). Quant aux fédérations professionnelles, acteurs clefs de la diffusion du savoir et du transfert technologique outre-Rhin, elles sont également présentes en la personne d’un membre du direc­toire de la régie des transports publics de Cologne, affiliée à l’association in­ternationale des opé­rateurs de transports urbains et régionaux UITP.

Les six autres membres allemands de la plateforme européenne se recrutent parmi les grands acteurs industriels de la filière hydrogène : Linde AG (gaz, élévateurs industriels, technologies du froid), Siemens AG (génération d’é­nergie notamment), Ballard Power Systems AG (filiale alle­mande du groupe canadien, leader mondial des piles à combustible dans les transports auto­mo­biles), Umicore AG & Co. KG (filiale allemande du groupe belge de mé­taux et matériaux, spé­cia­liste notamment des membranes pour piles à com­bustible), ainsi que DaimlerChrysler et BMW (acteurs historiques des véhi­cules à hydrogène). La composition de cette plateforme est repré­sentative du paysage allemand de la pile à combustible et de l’hydrogène.

Bientôt sur le marché : les applications portables

5Le savoir faire allemand en matière de pile à combustible est inégalement dé­veloppé, reflétant la diversité de l’état mondial d’avancement de la R&D dans les multiples domaines concernés. Le segment actuellement le plus proche de la commercialisation est celui des applications mobiles (ordina­teurs ou télé­phones portables) où la génération d’énergie peut se faire à l’aide de car­touches d’hydrogène, sur le modèle des cartouches de gaz utili­sés en camping. L’approvisionnement en hydrogène ne pose aucun pro­blème majeur, ce gaz étant disponible en quantité largement suffisante pour ce type d’application – en tant que produit dérivé issu de l’électrolyse et, surtout, du reformage (gaz natu­rel, méthanol). En outre, in­frastructures et logis­tique d’approvisionnement existent (com­merce de détail, stations service) ou peuvent rapidement être mises en place. Le marché des portables à hydrogène a un fort potentiel étant donné la faiblesse actuelle des batteries au lithium en comparaison de la con­sommation électrique croissante de ces équipements.

DMFC contre PEMFC

6Les géants de l’informatique, mais aussi les développeurs de piles comme la nanostock plasturgiste Masterflex AG (Gelsenkirchen), la start up Smart Fuel Cell AG (SFC, Munich) ou la jeune P21 GmbH (créée en 2001 près de Mu­nich), prévoient de lancer la production de série courant 2004, après la pré­sentation de leur produits lors des salons CeBIT, H2/FC de Ha­novre ou H2Expo de Ham­bourg. Masterflex avait développé sa pile (une PEMFC péri­phérique) avec le Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme (ISE, Fri­bourg), centre de re­cherche appliquée pilote en la matière. P21, une spin off de Mannes­mann/ Vodafone née lors de leur fusion, dispose de son propre savoir-faire en matière de PEMFC pour téléphones portables ; elle a une quarantaine de brevets à son actif. Quant à la société SFC, elle déve­loppe des piles au mé­thanol (DMFC) in­tégrées dans les portables. Plus mi­niatu­ri­sées que les PEMFC, les DMFC semblent avoir la faveur des obser­va­teurs. Mais dans les deux cas, la commer­cialisation à grande échelle se heurte encore au prix de ces innovations.

Transports : l’automobile allemande en pointe en Europe

7Dans le domaine des transports, l’état des lieux est plus complexe. Les cons­tructeurs automobiles allemands sont en pointe en Europe, depuis que Daim­ler­Chrysler a présenté en 1994 le premier véhicule à hydrogène au monde : la NECAR 1. Aujourd’hui, grâce au partenariat avec le canadien Ballard Po­wer Systems, la pile a été réduite en volume, sa puissance ayant été décu­plée dans le même temps. La NECAR 5, présentée en 2000, est équipée d’une pile au méthanol, ce qui la rend théoriquement commer­cialisable assez rapidement. 60 de ces véhicules, des Mercedes de Classe A, sont actuelle­ment testés outre-Rhin. Dans le domaine des véhicules in­dustriels légers, DaimlerChrysler coo­père avec l’intégrateur UPS pour tester sur le marché américain un modèle Sprinter à hydrogène. Le groupe Ford, dont le siège eu­ro­péen est à Cologne, a présenté récemment la Focus FCEV Hybrid, dont cinq exemplaires sont aujour­d’hui testés à Berlin dans le cadre d’un partena­riat entre construc­teurs automo­biles (BMW, Daim­lerChrysler, GM/Opel, MAN, VW), énergéti­ciens ou pétroliers (ARAL, BP, RWE, Shell et Total) et le minis­tère fédéral des Transports. Cette coopération germano-américaine, dédiée à une politique énergétique durable, vise à prendre de vitesse les concurrents japonais (Toyota et Honda).

Commercialisation pas avant 2010,
par manque d’infrastructures

8La commercia­li­sation de ces véhicules se heurte encore à une problème de poids ou de lon­gévité de la pile, ainsi que de coûts : les mem­branes utilisées dans les piles sont recouvertes de platine. Selon le groupe Ballard, qui est aussi partenaire de Ford, les pre­miers véhicules particuliers à hydrogène ne seront commercialisés qu’après 2010. Le princi­pal frein réside en effet dans l’absence d’infrastructures d’approvisionnement : pour équiper 1 000 sta­tions service (on en compte 16 000 outre-Rhin), il faudrait investir 100 milliards €, estime la Fé­dération des ingénieurs VDI. Le second objectif de cette coopéra­tion germano-américaine est donc le développement du réseau d’infrastructures.

Véhicules industriels lourds : divers tests en cours

9En matière de véhicules industriels lourds, un mar­ché pourrait émerger plus tôt, étant donné que les autobus, élévateurs ou excavatrices ont une mobilité ré­duite en compa­raison et, surtout, peuvent s’ali­menter ré­gulièrement dans les en­trepôts ou sur le site indus­triel. A l’inverse des voitures particulières ou des camions, le poids de la pile à combustible est également un avantage dans ce segment, puisqu’il sert la stabilité des véhicules. Ainsi, le constructeur d’é­léva­teurs et excavatrices Still GmbH (Hambourg), a équipé d’une pile à com­bustible un élévateur testé sur l’aéroport de Munich dans le cadre du projet ArgeMUC, lancé en 1997 et re­baptisé depuis H2MUC. Parmi les membres de ce groupe de travail, créé ex­pressément par l’industrie pour af­fronter la concurrence des USA et du Ja­pon, figurent ARAL, BMW, IAW, MAN, Linde, Neoplan ou Sie­mens. Béné­ficiant du soutien du TÜV (contrôle technique et de sécurité), le projet est financé à parité par les entreprises et le ministère de l’Eco­nomie de Bavière (budget to­tal : environ 16 millions €). D’autres utili­taires sont testés égale­ment, mais le pivot du projet est la production d’hydro­gène sur le site et le ravitaillement au­tomatique de la flotte ; les infrastructures sont également ou­vertes aux par­ticuliers, ce qui leur confère une valeur de ‘produit d’appel’.

Transports urbains : DaimlerChrysler en pointe

10Dans le domaine des transports urbains, DaimlerChrysler teste depuis sep­tembre 2003 trois autobus de type Citero sur le réseau de Hambourg, suivis de 27 autres à Stuttgart et huit autres villes européennes dans le cadre prin­cipale­ment du projet CUTE (Clean Urban Transport for Europe) de l’UE. Les parte­naires sur le site pilote de Hambourg sont, outre la compagnie des transports urbains, le constructeur d’autocars Evobus, BP et l’électricien HEW. Le ravitail­lement des bus en hydrogène d’origine éolienne s’effectue dans l’entrepôt. Si ce type de véhicules présente de nom­breux avantages théoriques (silence, ab­sence d’émissions), surtout en milieu urbain, leur coût prohibitif (1,2 million € l’unité) ne laisse envisager qu’une commercialisation à long terme, d’autant que leur faible autonomie (200 km au maximum) renvoie à la question des infra­structures d’approvisionnement en hydrogène. Cette question est cruciale pour l’ensemble du secteur des transports civils dès lors que la pile à combustible y est développée en tant que moyen de propulsion.

Aéronautique : Airbus (Hambourg) contre Boeing (Madrid)

11Il n’en va pas de même lorsque la pile est conçue comme un générateur élec­trique auxiliaire (auxiliary power unit : APU). C’est le cas de l’automobile, où les APU sont le second axe de R&D poursuivis par les constructeurs de voitures particulières – les premiers modèles haut de gamme seront prochainement équipés pour alimenter l’électronique de bord –, ainsi que de véhicules indus­triels destinés au transport routier et qui, du fait de l’évolution de la logistique, sont de gros consommateurs d’électricité. C’est le cas égale­ment de l’aéronau­tique où la R&D civile se concentre surtout sur les APU pour optimiser les flux électriques, hydrauliques, etc. Dans la course mondiale à l’inno­vation (APU et pro­pul­sion), Boeing et Airbus se livrent une concurrence achar­née sur le sol eu­ro­péen : alors que Boeing a choisi Madrid pour centre de déve­loppement, la R&D d’Airbus est pilotée par le site de Hambourg. Quant à la MTU Aero En­gines (Munich), leader mondial de la maintenance aéronautique racheté en jan­vier 2004 à DaimlerChrysler par la société américaine de private equity KKR, elle développe la pile à combustible selon di­vers axes, dont l’hydrogène liquide, dans le cadre notamment du programme in­ter­national Cryoplane.

Rail : un intérêt naissant

12Les transports ferroviaires s’intéressent également de près à la pile à com­bus­tible. Une initiative était née à la fin des an­nées 90 à Hambourg pour dé­velop­per des SOFC de 500 à 6 000 kW desti­nées à équiper notamment des locomo­tives. Elle associait industrie et re­cherche universitaire, mais n’avait pas pu trouver alors le soutien du minis­tère fédéral de la Recherche et des Techno­lo­gies. Entre-temps, les USA ont lancé un programme militaire voisin, et l’Europe a découvert « l’économie de l’hydrogène ». Dès lors, toutes les applications liées au rail commencent à intéresser les pouvoirs publics outre-Rhin, d’autant que les transports urbains (comme les tramways, très répan­dus) sont poten­tiellement un do­maine où la pile à combustible présente des avantages déci­sifs : l’absence d’émissions ou la suppression des caténaires et donc la réduc­tion des problèmes liés aux fréquences électromagnétiques.

Marine : sous-marins furtifs et navigation de plaisance

13Les transports maritimes sont un domaine où la pile à combustible com­mence à être commercialisée, du moins ses applications militaires. La marine a ainsi comman­dé une série de sous-marins U31 équipés de PEMFC à la HDW Fuel Cell Systems GmbH (HFCS, Kiel). Dans ce domaine, la pile à combustible (pro­pulsion et APU) tend à devenir un standard puis­qu’elle per­met de réduire la si­gnature (sous-marins furtifs) et d’assurer la gé­nération d’électricité et d’eau à bord. D’une manière générale, comme pour l’aviation ou les transports rou­tiers, les applications APU devraient se géné­raliser rapi­dement pour couvrir les be­soins liés à la montée en puissance de l’électro­nique de bord – dans les do­maines militaire et civil. La socié­té HFCS, par exemple, dont la PEMFC a été dévelop­pée par Siemens, la Germanische Lloyd Certification GmbH (Ham­bourg) se chargeant du contrôle sécurité et de la certification, se concentre actuelle­ment sur la navigation de plaisance  où divers tests sont en cours (APU et reformage du diesel). Mais dans la marine civile, les ques­tions centrales de­meurent celles du type de pile et du combus­tible le plus adapté comme des in­frastructures afférentes. Et pour les chan­tiers navals allemands qui, à l’instar de l’automobile, travaillent en étroite co­opération avec les PME sous-traitantes, la mobilisa­tion de ce ré­seau est au­jourd’hui une priorité, en termes d’innova­tion, de compétitivité face au Japon, et de développement structurel régional.

Génération stationnaire d’énergie

14Troisième domaine d’application : la généra­tion stationnaire et décentralisée d’électricité – et souvent aussi de chaleur. Elle intéresse l’Allemagne à plusieurs égards : outre qu’elle intervient dans les ques­tion liées à l’épuisement pro­gressif des énergies fossiles ou à l’objectif de la ré­duction des émissions de gaz à effet de serre, elle offre une perspective dans le délicat équilibre à trouver en matière de choix éner­gétiques. L’abandon du nu­cléaire se solde inévitablement par un recours ac­cru aux énergies fossiles ou renouvelables. Or ces dernières ne couvrent en­core que près de 8 % de la con­sommation totale d’électricité, alors que l’Alle­magne s’est engagée à porter leur part à 21 % en 2010 (voir REA 65/04). Dès lors, les deux tiers de la centaine d’énergéticiens allemands (des élec­triciens aux régies commu­nales) sont impli­qués dans la R&D.

Le marché visé : l’habitat individuel

15L’enjeu politique est moins celui de la décentra­lisation de la production d’é­ner­gie (elle l’est depuis toujours outre-Rhin) que celui de la sécuri­sation et de la régulation de l’approvi­sionnement domestique. Pour les opé­ra­teurs, les en­jeux sont industriels : de nombreuses centrales arrivant en fin de vie d’ici une dizaine d’années, la pile semble une alternative intéres­sante au renouvelle­ment des ca­pacités. Ainsi, Siemens Power Generation met actuel­lement en service une SOFC (production combinée chaleur/électricité) à Hanovre pour le compte d’E.ON Energie AG et de la régie municipale Stadt­werke Hannover AG. De leur côté, RWE Fuel Cells et MTU ont conclu en 2003 un joint ven­ture pour la com­mercialisation vers 2005 d’une pile MCFC. Pour les gaziers, c’est un axe bien­venu de diversification, l’une des princi­pales sources de production d’hydro­gène étant le gaz. Les enjeux sont éga­lement commer­ciaux : 5 % des 13,5 mil­lions de maisons indivi­du­elles ou en copro­priété que compte l’Allemagne pourraient être équipées en 2020, selon le cabinet Arthur D. Little. C’est dès lors sur l’habi­tat indivi­duel et les PME que se concentrent les espoirs de voir se constituer à long terme un marché de la pile à combustible. Car les indus­triels, largement auto­nomes pour la produc­tion d’énergie, semblent privi­légier d’autres solu­tions, à de rares exceptions près : ainsi Michelin, qui a équipé son site de production de Karlsruhe d’un « Hot Module » (250 kW) produit par MTU CFC Solutions.

Initiative Brennstoffzelle : une plateforme ad hoc

16Pour éviter l’éparpillement de la R&D et créer des synergies dans les savoir-faire afin d’optimiser la commercialisation future de la pile à combustible, les éner­géticiens EWE AG (Oldenburg), MVV Energie AG (Mannheim), Ruhrgas AG (Essen) et VNG (Leipzig) ont constitué en octobre 2002 une plateforme ad hoc : Ini­tiative Brennstoff­zelle (IBZ). Elle associe des partenaires institu­tion­nels : l’Université de Duis­burg, la Fédération des artisans du sanitaire, du chauf­fage et de la clima­tisa­tion (Zentralverband Sanitär Heizung Klima, ZVSHK), l’Association scien­ti­fique et technique des filières de l’eau et du gaz (Deut­sche Vereini­gung des Gas- und Wasserfachs, DVGW) qui est l’instance d’auto-régulation de la branche en matière de sécurité et de spécification, ainsi que la Deutsche Energie Agentur GmbH (dena) qui se défi­nit comme un « centre de compétence pour l’efficience énergétique » et dont les action­naires sont l’Etat fédéral et la banque publique KfW (pour moitié cha­cun). Parmi les indus­triels associés figurent : le sidérurgiste et chauffagiste Bude­rus AG (Wetz­lar, une filiale du groupe Bosch), ainsi que les chauffa­gistes allemands Vaillant AG (Remscheid) et Viessmann Werke GmbH & Co. KG (Allendorf), et leur ho­mo­logue suisse Sulzer Hexis AG (Winterthur).

… reliée au programme Virtual Fuel Cell Power Plant de l’UE

17L’IBZ a débouché sur deux projets pilotes, toujours en cours, où Sulzer Hexis AG et Vaillant AG testent sur le terrain rentabilité, fiabilité et longévité de leurs piles concurrentes. Le premier teste depuis 2001 sa HXS Premiere 1000, une pile à haute température (SOFC) destinée au chauffage central de maisons in­dividuelles. Une seconde génération de piles sera mise à l’essai fin 2004 ou dé­but 2005. De son côté, Vaillant AG teste depuis deux ans, dans l’habitat collectif et auprès des PME, la production combinée de chauf­fage et d’électricité, met­tant en œuvre une PEMFC : une pile à basse tempé­rature appelée EURO 1, et qui sera relayée prochainement par l’EURO 2. Lancés d’abord en Rhénanie du Nord-Westphalie, les essais se poursuivent depuis 2003 sur l’ensemble du terri­toire allemand, aux Pays-Bas, en Es­pagne et au Portugal dans le cadre du pro­gramme Vir­tual Fuel Cell Power Plant de l’UE. Sa finalité est d’expérimenter la mise en réseau des piles et leur raccordement au réseau électrique ; un poste de contrôle commande le système décentralisé de production d’électricité comme s’il s’agissait d’une centrale électrique ‘classique’ – mais celle-ci est vir­tuelle, d’où le nom du programme. Cette architecture impliquant la coopé­ration des énergéticiens, les partenaires allemands de Vaillant AG sont EWE AG et Ruhrgas AG, ce dernier pilotant les tests outre-Rhin (coût total : 8,6 millions €, dont 3 mil­lions € financés par l’UE). Car pour les énergéticiens, la gestion de micro-réseaux de production isolés, mais re­liés aux réseaux de distribution exis­tants, est une expérience com­plexe et nouvelle. Il faut développer de nou­veaux concepts de distribution, mais aussi intégrer dans cette approche di­versi­fiée les constructeurs de piles et leurs sous-traitants, ou l’artisanat pour la main­tenance des installations.

Une production d’hydrogène largement insuffisante

18Reste la question de la génération de l’hydrogène ; car ce gaz très répandu n’existe pratiquement à l’état naturel que comme constituant d’autres corps. L’objectif, en Allemagne comme ailleurs, est de le produire à partir de sources renouvelables d’énergie primaire et de ramener les émissions de gaz à effet de serre à un niveau proche de zéro. Mais il s’agit pour l’instant d’un rêve lointain. Car pour l’instant, l’essentiel de la production mondiale d’hy­drogène provient du raffinage du pétrole, une petite part seulement étant obtenue sous forme de dé­rivé par l’industrie chimique et une quantité négli­geable étant générée par élec­tro­lyse de l’eau. Et les quantités produites aujourd’hui sont no­toirement insuffi­santes pour permettre l’émer­gence d’une « économie de l’hydrogène ».

2 sources possibles : reformage du gaz naturel, puis électrolyse

19L’industrie chimique allemande produit environ 1 milliard m3 d’hydrogène. Ce­la suffirait à couvrir la consommation annuelle de 1 000 autobus municipaux, af­firme une étude de la société L-B-Systemtechnik GmbH (LBST, Ottobrunn), membre du European Integrated Hydrogen Project (EIHP2). Or les clients de cet hydrogène sont des sociétés spécialisées comme Linde ou Air Liquide. L’extension de la clientèle se heurte principalement au coût de pro­duction. En comparaison, le reformage du gaz natu­rel (ou du méthanol produit à partir de gaz naturel, voire de bio­masse) est actuellement la tech­nique de géné­ra­tion d’hydrogène la plus avantageuse. Comme il s’agit d’un savoir-faire stan­dard, le marché potentiel est énorme, le refor­mage pouvant s’effectuer dans tous types d’installa­tions : cen­trale énergétique, station service, pile à combustible à usage domestique ou automobile… De nom­breux industriels s’y intéressent, ainsi Ca­loric Anlagen­bau GmbH (près de Munich, cons­truc­tion d’installations) ou Carbo­Tech (Es­sen ; installations, fo­rage, filtrage au charbon actif), la filière auto­mo­bile dans son entier, de même que toutes les compagnies du gaz. Cette tech­nique a néanmoins un inconvé­nient : elle produit du CO2. Dès lors, elle pourrait utilement être relayée à long terme par l’électrolyse de l’eau, préconise l’étude de la LBST ; le futur parc d’éoliennes offshore (20 GW d’ici 2020 environ) pour­rait alors offrir une opportunité stra­tégique. D’ici 2018, les centrales nucléaires côtières seront mises hors service. Or la capacité de leurs réseaux d’inter­con­nexion n’est que de 8 GW. Que faire de la surproduction d’électricité éolienne ? Elle pourrait être utilisée pour générer de l’hydro­gène par électrolyse.

Actions coordonnées de l’UE…

20« L’économie de l’hydrogène » soulève un classique problème de la poule et de l’œuf. Dans de nombreux domaines, les piles à combustible sont sorties de la phase du prototype, et leur commercialisation pourrait être lancée à court ou moyen terme s’il y avait les infrastructures et l’approvisionnement né­cessaires. Pour créer un marché de masse, il faut réduire le coût des di­verses applica­tions, mais il faut aussi assurer l’approvisionnement permettant l’émer­gence de ce marché de masse qui réduira in fine les coûts. Seuls l’action co­ordonnée de tous les acteurs impliqués et un soutien politique permettant d’ap­porter une so­lution à ce problème, l’UE a donc lancé récem­ment divers pro­grammes de re­cherche et plateformes de coopération. Cette politique trans­versale, placée à la fois sous le signe du développement du­rable et de la com­pétitivité éner­gé­tique et industrielle de l’UE, se conjugue aux divers pro­grammes de soutien à la re­cherche en matière de piles à com­bustibles menés par l’UE depuis 1989, ainsi qu’au programme Quick-Start lancé en 2003 dans le cadre de L’Initiative euro­péenne pour la croissance et doté d’une enve­loppe globale de 2,8 milliards € de fonds pu­blics et privés. Ces actions con­cernent la recherche, les transports, l’éner­gie, les infrastructures, l’industrie, l’en­vironnement ou la formation.

… conjuguées en RFA aux politiques propres

21Ajoutées aux divers axes de la politique d’inno­vation allemande, elles sont dé­clinées au plan national et régional en tant que partie intégrante des di­verses politiques nationales de soutien à l’innovation : du soutien aux start ups et PME innovantes (ministères de l’économie) à la for­mation/recherche technologique (ministères de l’économie, de la recherche) en passant par les politiques de soutien au développement des énergies re­nouvelables (mi­nistère de l’environ­nement), sans oublier les programmes de développement structurel régional, notamment dans les nouveaux Länder. C’est donc un complexe bouquet de po­litiques d’offre que proposent les pouvoirs publics outre-Rhin dans ce domaine comme dans d’autres (biotech­nologies ou nano­technologies, voir REA 57/02 et 64/03). Elles viennent en appui aux initiatives industrielles comme à la coopéra­tion entre les entreprises et les centres de recherche fondamentale (pilote : Forschungszentrum Jülich) ou appliquée (acteur central : Société Fraunhofer). Et elles se con­juguent à un intense effort de commu­ni­cation, via la création de pôles de com­pétence régionaux fédérateurs (des plateformes Internet) ou de centres dédiés, ainsi ce Centre de la pile à combustible (Zen­trum für Brenstoff­zellenTechnik, ZBT) qui vient d’être inauguré à Duisburg.

22Le dynamisme de l’innovation allemande en matière d’hydrogène est le fruit avant tout de l’activité industrielle et de son partenariat avec la recherche, qu’elle soit fonda­mentale ou appliquée. Ce n’est que récemment que les pou­voirs pu­blics ont commencé à s’intéresser à ces technologies transversales, alertés par une in­dustrie soucieuse de développer sa compétitivité, et cons­cients désormais de l’importance des technologies de l’hydrogène pour la poli­tique générale d’inno­vation. Les préoccupations environne­mentales souvent mises en avant ne sont qu’une accroche thématique con­sensuelle placée, en réalité, au service d’ac­ti­vi­tés industrielles dont on peut affirmer qu’elles sont très dynamiques outre-Rhin, bien qu’il soit impossible de les chiffrer. Transversales par définition, elles con­cernent en effet de nombreux domaines et compé­tences, dont ceux où l’éco­nomie allemande excelle : automobile, construction mécanique, chi­mie, en­gi­neering, science des matériaux…

23De ce simple fait, le site Alle­magne a un solide avantage compétitif. Si actuelle­ment, l’hydrogène est en­core l’affaire essentiellement des groupes les plus ex­posés à la compétition inter­na­tionale, ceux-ci sont conscients que leur compé­ti­tivité est étroite­ment liée à celle de leurs réseaux de sous-traitants, c’est-à-dire à l’innovation des PME et à la qualification des artisans. Les relais de diffusion des savoirs sont dès lors aussi multiples que clas­siques : fédérations, presse profes­sionnelle, uni­versités, centres de recherche, salons professionnels, sites Internet. Mais il s’agit aussi de séduire les jeunes générations afin d’entretenir le goût des techniques comme des sciences de l’ingénieur dans l’opinion. Entreprises et pou­voirs publics ont ainsi développé un large éventail d’outils pédagogiques autour de la pile à combustible. Même le secteur du jeu éducatif s’y intéresse : on trouve dans le commerce un grand choix de kits d’expérimentation, et même cette « Hy-Runner » qui sera offerte aux équipes gagnantes du concours scolaire de Rhéna­nie du Nord-Westphalie. Parce qu’elles sont autrement consensuelles que les biotechnologies, les technologies de l’hydrogène ont un effet d’entraînement po­tentiel considérable sur la dynamique d’innovation générale de l’Alle­magne.

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Bibliographie

Commission Européenne,« L’UE présente une vision pour la source d’énergie du XXIème siècle : l’hydrogène et la pile à combustible », IP/03/848, « ‘Feuille de route’ de l’UE en vue d’un partenariat européen pour une économie durable de l’hydrogène », IP/03/1229, « Un partenariat technologique européen fort pour progresser vers l’économie de l’hydrogène », IP/04/69 (www.europa.eu.int)

HyWays. The European Hydrogen Roadmap Project under FP6, Presented by U. Bün­ger, L-B-Systemtechnik, Bruxelles, 21-01-2004, (www.hynet.info)

Jan Hofmann, « My home is my power plant. Mit Wasserstoff zur dezentralen Energie­ver­sorgung? », Deutsche Bank Research, 02-12-2002

L-B-Systemtechnik GmbH, Brennstoffzellen- und Wasserstoff-Technologien als wirt­schaftliche Chance für Hamburg. Studie im Auftrag der Freien und Hansestadt Ham­burg/Behörde für Umwelt und Gesundheit, janvier 2004 (www.fhh.hamburg.de)

Market Development of Alternative Fuels. Report of the Alternative Fuels Contact Group, décembre 2003 (www.hynet.info)

Sites Internet: www.brennstoffzelle.de ; www.dwv-info.de ; www.energieportal24.de ; www.hyweb.de ; www.initiative-brennstoffzelle.de ; www.ise-fhg.de ; www.kfa-juelich.de.

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Table des illustrations

Titre Les principales applications des piles à combustible
Crédits Source des données : L-B-Systemtechnik, Brennstoffzellen- und Wasserstoff-Technologien als wirt­schaftliche Chance für Hamburg, 2004. *) APU: générateur électrique auxiliaire (Auxiliary Power Unit) ; **) au plus tôt.
URL http://rea.revues.org/docannexe/image/3858/img-1.png
Fichier image/png, 23k
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Pour citer cet article

Référence papier

Isabelle Bourgeois, « L’enjeu de la pile à combustible et ses réseaux en Allemagne », Regards sur l'économie allemande, 66 | 2004, 25-32.

Référence électronique

Isabelle Bourgeois, « L’enjeu de la pile à combustible et ses réseaux en Allemagne », Regards sur l'économie allemande [En ligne], 66 | mai 2004, mis en ligne le 13 octobre 2009, consulté le 18 novembre 2017. URL : http://rea.revues.org/3858 ; DOI : 10.4000/rea.3858

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Auteur

Isabelle Bourgeois

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© CIRAC

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