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Quelle mobilité pour la transition énergétique ?

Cahier

Download the English version here / Mobility solutions for the energy transition


Les émissions dues aux transports terrestres constituent non seulement une source importante des émissions totales de gaz à effet de serre, mais sont aussi à l’origine de pollutions urbaines (CO, NOx, SO2, particules fines…) directement dangereuses pour la santé, sans parler des problèmes issus des phénomènes de congestion (perte de temps et d’argent, accidents, nuisances…).

Pour faire face à ces enjeux environnementaux et sociaux, des politiques ont déjà été entreprises et de nombreuses autres plus vigoureuses restent encore à mener, tant au niveau national qu’au niveau des grandes métropoles. L’analyse de ces politiques se situe au coeur des activités de recherche de la chaire Énergie et Prospérité, fondée en 2015. Il s’agit d’évaluer l’impact sectoriel et macro-économique de ces politiques, et d’identifier les conditions les plus favorables à leur financement en associant les secteurs public et privé. Ce Cahier Louis Bachelier donne un aperçu des thèmes abordés.

L’article de Juan Pablo Montero porte sur les mesures de court terme telles que les restrictions dans l’usage des véhicules pendant les phases de fortes pollutions mises en place dès 1989 à Mexico, l’une des villes les plus polluées d’Amérique Latine, et plus récemment à Pékin, Berlin ou Paris. Carolyn Fischer analyse les diverses politiques mises en oeuvre aux États Unis, certaines depuis la fin des années 70, soit pour réduire le contenu carbone des carburants utilisés, soit pour améliorer l’efficacité énergétique des véhicules. Le texte de Julien Brunet propose une évaluation d’un programme pilote actuellement en cours visant à soutenir le déploiement de véhicules hybrides électrique et hydrogène dans la Région Normandie. Enfin, dans le dernier texte, Guy Meunier revisite la notion de coût d’abattement couramment utilisée pour définir la date optimale de lancement d’une technologie propre lorsque les coûts relatifs à cette technologie bénéficient de forts effets d’expérience, les véhicules à hydrogène servant de base empirique pour cette réflexion.

Ces travaux ont été présentés en détail lors de conférences annuelles organisées par la chaire sur le thème de la mobilité durable. Ces conférences, soutenues également par la chaire Développement Durable EDF-Ecole Polytechnique, constituent une occasion privilégiée pour organiser des échanges entre les chercheurs et les professionnels, notamment avec les partenaires financiers de ces deux chaires. À ce titre, je voudrais remercier plus particulièrement Pierre Étienne Franc (Air Liquide) et Grégoire Marlot (SNCF) pour leur participation à cette publication, et plus généralement leur soutien à ce programme de recherche. Merci aussi aux chercheurs, doctorants, étudiants de Master et l’Institut Louis Bachelier qui assurent la réussite et la diffusion de nos travaux.

Bonne lecture !

Jean-Pierre Ponssard Co-Directeur avec Gaël Giraud de la chaire Énergie et Prospérité

 

COMMENT LES RESTRICTIONS DE CONDUITE AGISSENT-ELLES SUR LA POLLUTION URBAINE ?

Au cours des trois dernières décennies, de nombreuses agglomérations dans le monde ont adopté des mesures pour limiter le trafic automobile, dans le but de réduire la pollution urbaine. L’article de recherche présenté ci-après propose des recommandations politiques, à partir de l’observation des effets de la législation menée à Santiago du Chili.

 

D’après l’article : Vintage-specific driving restrictions, écrit par Nano Barahona, Francisco Gallego et Juan-Pablo Montero, ainsi qu’un entretien avec ce dernier.

La forte croissance de l’urbanisation a provoqué l’explosion de la pollution urbaine. De fait, 98 % des villes de plus de 100 000 habitants dans les pays à revenu faible ou intermédiaire ne respectaient pas les
normes de l’Organisation Mondiale de la Santé (OMS) sur la qualité de l’air, tandis qu’elles étaient 56 % dans les pays à revenu élevé, en 2016. Cette situation, particulièrement inquiétante pour la santé, s’explique notamment par la congestion du trafic automobile urbain, qui contribue fortement à la pollution locale en rejetant des particules fines, du monoxyde de carbone et du monoxyde d’azote. À titre d’exemple, la pollution urbaine dans la région Île-de-France est majoritairement due au trafic routier.

Des mesures pour réduire le trafic automobile urbain 

Pour limiter cette pollution urbaine et encourager l’utilisation des transports en commun, plusieurs pratiques visant à réduire le trafic automobile ont émergé, à partir des années 1980, dans plusieurs villes dans le monde, à l’instar d’Athènes, Santiago et Mexico. Dans les années 2000, d’autres villes ont suivi ce mouvement comme Pékin, Berlin ou plus récemment Paris. « Il existe deux principales approches distinctes. La première est de restreindre le trafic automobile, en fonction du dernier chiffre inscrit sur les plaques d’immatriculation. La seconde implique une restriction de circulation, basée sur l’âge ou le degré d’émission des véhicules. Cette politique a été instaurée pour la première fois à Santiago en 1992 », précise Juan-Pablo Montero. Outre ces deux approches, d’autres formes de politiques sont possibles, à l’instar de la prime à la casse pour favoriser l’abandon des véhicules anciens et polluants ou des subventions pour acheter des véhicules récents et plus écologiques. Par ailleurs, les péages urbains, mis en place à Londres par exemple, constituent également une option à disposition des pouvoirs publics.

Les restrictions basées sur l’âge du véhicule ou sur le niveau d’émission ont été jusqu’à présent très peu étudiées. C’est pour combler cette insuffisance que Juan Pablo Montero et ses co-auteurs ont élaboré leur étude.

Une littérature abondante mais incomplète 

Face aux problèmes de pollution dans des zones urbaines hétérogènes (pays en développement, émergents et développés), de nombreux travaux de recherche ont été menés. « D’après la littérature existante, les restrictions basées sur les immatriculations sont assez inefficaces, car elles agissent sur la demande en encouragent l’achat d’un second véhicule polluant. À long terme, cela entraîne l’augmentation de la flotte automobile et donc une hausse de la pollution urbaine », indique Juan-Pablo Montero. Cet effet pervers a été très marqué dans la ville de Mexico. En 1989, son programme de circulation alternée dépendant du numéro de la plaque d’immatriculation a connu un bon départ, avant d’inciter les conducteurs locaux à acheter un second véhicule moins cher et plus polluant.

Résultat ? La flotte automobile a bondi de 20 % à Mexico, d’après des travaux réalisés en 2008. Les restrictions basées sur l’âge du véhicule ou sur le niveau d’émission ont été jusqu’à présent très peu étudiés. C’est pour combler cette insuffisance que Juan Pablo Montero et ses co-auteurs ont élaboré leur étude. Celle-ci s’appuie sur les résultats observés à Santiago. Pour rappel, dès 1986, la capitale chilienne a décidé d’imposer des restrictions en fonction des numéros de plaques, certaines heures de la journée entre avril et septembre. Mais pour aller plus loin, en 1992, les autorités ont exigé que tous les véhicules neufs soient équipés d’un convertisseur catalytique qui réduit les gaz d’échappement. Dans le même temps, les véhicules fabriqués avant cette réforme sont restés concernés par les restrictions de circulation en vigueur dans la mégalopole chilienne. « Nous avons étudié le cas de Santiago pour deux raisons. D’une part, le marché automobile local est très bien intégré, donc les décisions d’achat ne s’expliquent que par des mesures politiques ou par la localisation géographique des ménages. D’autre part, la mesure de 1992 est restée pratiquement inchangée, ce qui nous permet d’identifier ses effets plusieurs années après sa mise en place », explique Juan Pablo Montero.

Une modélisation innovante pour identifier des mesures optimales 

À partir des données émanant de l’agglomération de Santiago, les chercheurs ont réalisé un travail économétrique en s’appuyant sur un modèle de la demande de véhicules. Ce modèle dynamique a l’originalité d’être plus complet que ceux qui le précèdent dans la littérature pour trois raisons : il permet d’observer l’évolution du parc automobile dans le temps en fonction des choix des consommateurs ; de distinguer la composition des flottes automobiles dans les zones à forte pollution concernées par les restrictions et celles qui en sont exemptes ; de tester une variété de politiques grâce à des simulations numériques. Ainsi, le modèle peut notamment tester l’optimalité des politiques existantes en variant éventuellement certains paramètres ou bien considérer d’autres politiques. Les politiques de type « tout ou rien » qui consistent à interdire purement et simplement la circulation dans certaines plages horaires pour les véhicules les plus polluants s’avèrent les plus efficaces.

À partir de leurs résultats, les chercheurs ont pu établir des recommandations concrètes : « Pour réduire la pollution urbaine, les restrictions basées sur l’âge du véhicule ou le taux d’émission constituent le meilleur choix possible », assure Juan-Pablo Montero. En clair, cette approche fonctionne beaucoup mieux que des dispositifs de court terme comme la prime à la casse ou les subventions à l’achat de véhicules propres. Enfin, le modèle a pu identifier une autre possibilité pour les pouvoirs publics : « Une politique de péage urbain à plusieurs tarifs – qui varient en fonction de l’âge ou du taux d’émission du véhicule – constitue également une mesure efficace pour réduire la pollution urbaine, mais son application pratique est plus délicate que le premier choix mentionné plus haut », conclut Juan-Pablo Montero. À l’heure où la ville de Paris met en place une nouvelle politique, cet article fournit un cadre analytique particulièrement pertinent pour permettre son évaluation.

COMMENT RÉDUIRE EFFICACEMENT L’EMPREINTE CARBONE DES VÉHICULES AUX ÉTATS-UNIS ?

Aux États-Unis, le secteur des transports terrestres participe largement aux émissions de gaz à effet de serre. Pour réduire ces émissions, de nombreuses politiques fédérales et locales ont été instaurées. Cet article propose une analyse pour les véhicules légers (voitures, SUV, petits utilitaires…).

 

D’après l’article Overlapping Strategies for Reducing Carbon Emissions from the Personal Transportation Sector, écrit par Soren Anderson, Carolyn Fischer et Alex Egorenkov, ainsi qu’un entretien avec Carolyn Fischer.

Si la Chine est devenue le plus gros pollueur de gaz à effet de serre de la planète, les États-Unis restent les premiers émetteurs de carbone par habitant. Ainsi, en 2013, un américain a rejeté en moyenne 16 tonnes de CO2 par an, contre 7,3 tonnes pour un chinois, selon des chiffres de Global Carbon Project. Cette situation s’explique notamment par la forte consommation de pétrole outre-Atlantique, en particulier dans le secteur automobile. De fait, l’an dernier, 26 % des émissions de gaz à effet de serre du pays ont émané des transports, dont 61 % provenaient des véhicules légers (voitures, SUV, petits utilitaires…), d’après l’Agence fédérale de protection de l’environnement (US Environmental Protection Agency). Pis encore, les rejets automobiles ont très peu diminué ces dernières années, malgré le changement climatique et les interventions politiques.

De multiples politiques hétérogènes 

Les autorités fédérales et locales (au niveau des États) ont pourtant mis en place toute une série de mesures diverses qui s’imbriquent les unes dans les autres. Il existe une taxe fédérale fixe sur l’essence de 0,184 $ par gallon, mais elle n’a pas augmenté depuis 1993 ! En outre, les États perçoivent une taxe d’environ 0,30 $ par gallon (chiffres 2016), basée sur la moyenne pondérée des ventes d’essence. Ces prélèvements n’ont pas de vocation écologique, car ils servent principalement à financer les infrastructures routières.

À côté de ces taxes, une norme de carburant renouvelable (Renewable Fuel Standard) a été instaurée au niveau fédéral, en 2005. Ce cadre impose l’introduction dans le carburant commercialisé d’une quantité minimale de biocarburants, fabriqués à partir de maïs, de canne à sucre ou encore de biomasse, qui devrait atteindre progressivement 36 milliards de gallons par an, d’ici à 2022 (bien qu’une série de dérogations diminue les ambitions de cet objectif). Il est à noter que d’autres incitations (crédits d’impôts, subventions) pour promouvoir les biocarburants se superposent à la politique précédente.

Par ailleurs, à la fin des années 1970, la norme Cafe (Corporate average fuel economy) a vu le jour. Celle-ci contraint les constructeurs à fabriquer des utilitaires légers moins énergivores, basés sur une consommation de miles par gallon. Au départ uniforme, cette réglementation a largement évolué. Elle distingue des économies de carburant à réaliser, en fonction de la taille de véhicules. Les constructeurs ont ainsi des contraintes différentes selon les véhicules produits. La norme Cafe a même débouché sur un système d’échanges de quotas entre les constructeurs automobiles, permettant à Honda, Nissan et Tesla Motors d’en profiter en revendant leurs quotas à des concurrents plus pollueurs. 

Enfin, en 2007, la Californie a établi une norme de carburant à faible carbone (Low Carbon Fuel Standard), afin de baisser les émissions de CO2 de 10 %, d’ici à 2020. Cette politique taxe implicitement les carburants traditionnels fortement émetteurs et subventionne les biocarburants.

« Pour réduire les émissions de carbone issues des automobiles, les autorités disposent de deux grands types d’instruments. Le premier agit sur le contenu de carbone des carburants utilisés (fuel substitution), en intégrant des biocarburants de sources diverses, à travers l’imposition de normes ou de pourcentages minimums de production. Le second impose aux constructeurs des motorisations plus économes en carburants par miles parcourus (fuel conservation) », détaille Carolyn Fischer.

Un modèle pour évaluer l’efficacité ou non des politiques 

Ces différentes politiques ont ainsi été mises en place, mais encore faut-il les évaluer : quels sont leurs impacts concrets sur la réduction d’émission de carbone par les véhicules ? Combien coûtent-elles ? Quel est le coût implicite à la tonne de CO2 évitée ? Pour répondre à ces interrogations, Carolyn Fischer et ses co-auteurs ont développé un modèle inédit dans la littérature économique, en adaptant et en étendant des travaux précédents effectués par la chercheuse sur le secteur électrique, en 2008 et en 2013.

La combinaison d’instruments mobilisés réduit les émissions de CO2 de 9 % pour un coût implicite de $44/tCO2 (…). Une simple taxe carbone permettrait de réduire ce coût à $15/tCO2.

Il s’agit de modéliser, d’une part, l’offre de carburant et les gains d’efficacité énergétique, et d’autre part la demande de carburant compte tenu pour les utilisateurs de leur utilité à détenir et à conduire un véhicule du segment concerné (voitures, SUV, petits utilitaires…). Il faut dire que ces véhicules représentent 90 % de la demande d’essence, d’après les chiffres 2015 de l’Agence Internationale de l’Énergie, et que 99 % d’entre eux roulent avec des carburants fossiles. « Notre modèle a plusieurs particularités. Il court sur une longue période avec deux phases : 2015-2025 et 2025-2040. Il introduit des effets d’expérience dans la production de biocarburants, qui font ensuite baisser leurs coûts dans la phase deux. Il incorpore également la sous-évaluation des automobilistes pour les bénéfices procurés par les investissements dans les économies de carburant », explique Carolyn Fischer.

Sans rentrer trop techniquement dans les différents paramètres utilisés dans ces travaux, le modèle permet de déterminer l’efficacité individuelle de la politique actuellement retenue. Cette politique, compte tenu de la combinaison d’instruments mobilisés, réduit les émissions de carbone de 9 % pour un coût implicite de $44/ tCO2. Le modèle montre que des politiques permettraient d’obtenir le même niveau de réduction des émissions pour un coût beaucoup moins élevé.

L’instauration d’une taxe carbone serait la meilleure politique 

Sur le plan théorique, l’existence d’effets d’échelle pour la production de biocarburants et d’externalités négatives liées à l’émission de gaz à effets de serre militerait pour l’introduction d’au moins deux instruments, par exemple une norme pour l’usage de carburant renouvelable (fuel substitution) et une taxe carbone sur les émissions des véhicules (fuel conservation). À la vue des données recueillies, l’analyse des auteurs montre que la taxe carbone suffit pour atteindre le même niveau de réduction des émissions pour un coût implicite de $15/ tCO2 : « la politique optimale serait l’instauration d’une taxe carbone et l’abandon des subventions pour les producteurs d’éthanol », assure Carolyn Fischer. « Les normes liées aux économies de carburants (fuel conservation) sont peu efficaces surtout quand on introduit la taille des véhicules (size based quotas). La plus mauvaise solution est la politique de substitution des carburants (fuel substitution), car les coûts des biocarburants ne baissent pas suffisamment ».

Et de conclure : « Ces différences d’efficacité par rapport à la politique optimale sont d’autant plus fortes qu’on prend en compte les effets externes liés à la congestion et aux accidents. Ces derniers sont exacerbés par les politiques de substitution des carburants, qui réduisent à la fois le coût des miles parcourus et la détention des larges berlines ».

COMMENT DÉVELOPPER DURABLEMENT LA MOBILITÉ HYDROGÈNE EN FRANCE ?

Pour réduire l’empreinte carbone liée à la mobilité terrestre, l’hydrogène constitue une technologie intéressante notamment de par sa flexibilité d’usage. Toutefois, son déploiement coûteux reste encore embryonnaire en France. Cet article analyse le cas concret de la Normandie, qui a lancé un programme spécifique.

 

D’après l’article Policies and deployment for Fuel Cell Electric Vehicles an assessment of the Normandy project, co-écrit par Julien Brunet et Jean-Pierre Ponssard, ainsi qu’un entretien avec Julien Brunet.

En dépit des progrès technologiques améliorant les performances énergétiques des véhicules roulant aux carburants fossiles, le transport routier reste un émetteur important de carbone dans le monde. Rien que dans l’Union européenne (UE), ses émissions ont même augmenté de 20 % depuis 1990, selon les chiffres de la Commission européenne, et, aujourd’hui, elles représentent environ 20 % des rejets de l’UE. Dans de telles conditions, les pouvoirs publics doivent prendre des mesures pour limiter les émissions du transport routier et atteindre une mobilité durable.

Pour y parvenir, la promotion des véhicules électriques constitue une alternative idoine. Néanmoins, ils souffrent d’un manque d’autonomie qui rend difficile la concurrence avec les véhicules classiques. Et c’est là que l’hydrogène se distingue. Cet élément permet, en effet, de prolonger l’autonomie des véhicules électriques (de 180 à 300 kilomètres), lorsqu’ils sont équipés d’un prolongateur à hydrogène, fonctionnant à l’aide d’une pile à combustible (PAC). Par ailleurs, ce carburant propre peut alimenter des véhicules à PAC roulant à 100 % avec de l’hydrogène pour des autonomies comparables à celles obtenues pour des véhicules thermiques (500-700 km).

Si cette technologie se développe depuis quelques années dans le monde (aux États- Unis, en Allemagne, au Japon et en Chine), elle reste à la traîne dans l’hexagone, car aucun plan national soutenu par le gouvernement n’a été adopté. Il est vrai que son déploiement coûteux engendre un dilemme de l’oeuf et la poule difficile à résoudre : les stations ne deviennent rentables que si des flottes de véhicules sont déployées autour de celles-ci et, de même, la production d’hydrogène verte n’est pertinente que si la consommation devient importante. Il est ainsi nécessaire de promouvoir en même temps les stations de recharge et les véhicules pour baisser les prix, ce qui rend l’appui des collectivités territoriales indispensable.

Pourtant, la France aurait à y gagner, car le secteur des transports représente le premier émetteur de CO2 avec 27,6 % des émissions, dont 92 % proviennent du transport routier. Sur le plan sanitaire, le trafic routier rejette 15 % de particules et 56 % des oxydes d’azote. 

La Normandie, précurseur de la mobilité réduite 

Justement, après la région Rhône-Alpes en 2014 et une première station de recharge installée à Saint-Lô début 2015, la Normandie a adopté un programme spécifique intitulé EASHyMob (Easy AccesS to Hydrogen Mobility), qui court sur la période 2016-2018. Ce projet pilote associe la Normandie, le groupe Serfim et la société Symbio.

Il ambitionne de déployer 15 stations de recharge à hydrogène d’une pression de 350 bars et une flotte de 250 véhicules, principalement des Kangoo ZE, munis d’un prolongateur d’autonomie mais également des véhicules à hydrogène 100 % électrique. Le coût de ce programme atteint un budget de 4,8 millions d’euros, qui est financé à moitié par l’UE. Dès lors, plusieurs problématiques surgissent : le projet normand est-il efficace économiquement et écologiquement ? Peut-il permettre le développement d’une filière hydrogène ?

En France, le secteur des transports représente le premier émetteur de CO2 avec 27,6 % des émissions, dont 92 % proviennent du transport routier.

 

Une analyse coût/bénéfices du projet normand … 

Pour évaluer le programme EAS-HyMob, les chercheurs ont effectué un long travail documentaire et de collecte des données, avant de modéliser l’intégralité de la chaîne de valeur de l’hydrogène pour comparer ses différents coûts avec ceux de la filière diesel. « Nous avons décomposé trois activités principales dans notre modèle : la production d’hydrogène en supposant qu’elle passe graduellement de la méthode actuelle et polluante du vaporeformage du gaz naturel, à l’électrolyse, qui n’émet pas de carbone ; le coût du transport, selon que sa production soit centralisée ou décentralisée sur les stations de recharge ; et les coûts liés à la distribution d’hydrogène, en fonction de la taille des stations (petites ou grandes) », détaille Julien Brunet. Cette modélisation a permis de dégager trois résultats finaux : « le coût du carburant hydrogène pour 100 kilomètres parcourus, la différence dans le coût total de possession du véhicule (Kango ZE H2 vs Kangoo Diesel) et le coût d’abattement, qui est obtenu en comparant le prix de la tonne de CO2 évitée avec une taxe carbone », poursuit le chercheur. Ces trois résultats ont ensuite pu être confrontés à ceux de la filière diesel, en fonction des chiffres de 2016 et des projections pour 2025.

 

… Qui plaide pour un second scénario plus ambitieux 

Les chercheurs ont évalué le scénario retenu dans le programme EAS-HyMob : « Notre analyse stipule que le projet actuel, tel qu’il est envisagé, restera fortement dépendant des soutiens publics régionaux et nationaux. La conversion de la flotte automobile vers davantage d’hydrogène sera longue et coûteuse », affirme Julien Brunet.

Pour ne pas en rester là, les chercheurs ont étudié un second scénario plus favorable au développement d’une future filière hydrogène normande. « La réalisation de ce scénario est atteignable d’ici à 2030, voire avant, mais il requiert une politique de subventions massives de l’ordre de 80 millions d’euros sur dix ans. Ensuite, la chaîne de valeur de l’hydrogène n’aurait plus besoin de fonds publics », explique-t-il.

Pour réussir ce pari, deux conditions sont nécessaires. Premièrement, le coût de possession des véhicules à PAC doit diminuer de 40 %, d’ici à 2025, résultant des effets d’expérience acquis par les constructeurs, un essor géographique de ces véhicules au-delà de la Normandie (sur le continent) et une extension de cette technologie à d’autres types de véhicules (bus, camions, berlines…). Cette condition est envisageable étant donné que le filière industrielle démarre. Deuxièmement, la réduction des prix de l’hydrogène, grâce à l’augmentation de la consommation favorisée par le développement de ces véhicules, mais aussi avec l’optimisation de sa production : « Si l’hydrogène est produit sur site (près des stations de recharge), les coûts de transports sont nuls, mais la production est limitée et chère. Le raisonnement inverse s’applique si la production est centralisée. Or, si la consommation est forte et que les stations sont de taille importante, laproduction sur site est viable économiquement et écologiquement », conclut Julien Brunet. Nul doute que cette analyse sera précieuse le jour où la France lancera un plan national dédié à la mobilité hydrogène.

POURQUOI L’HYDROGÈNE EST-ELLE UNE OPTION VIABLE POUR LA MOBILITÉ DURABLE ?

Le transport routier utilise massivement les carburants fossiles et contribue fortement aux rejets de carbone dans l’atmosphère. Toutefois, l’hydrogène peut avoir une place à jouer pour décarboner la mobilité à long terme.

 

D’après l’article : Defining the Abatement Cost in Presence of Learning-by-doing : Application to the Fuel Cell Electric Vehicle, co-écrit par Anna Creti, Alena Kotelnikova, Guy Meunier et Jean-Pierre Ponssard, ainsi qu’un entretien avec Guy Meunier.

La mobilité verte et durable constitue un enjeu crucial pour limiter les émissions de carbone, génératrices de pollution. Dans ce domaine, le transport routier n’est pas exempt de reproches, bien au contraire. Ainsi, dans l’Union Européenne (UE), le parc automobile roulait à plus de 95 % avec des carburants fossiles, en 2014, selon la société spécialisée Emisia.
Pour réduire les émissions de carbone du transport routier dans l’UE – qui ont tout de même progressé de 20 % depuis 1990 – les carburants alternatifs, en particulier l’hydrogène, sont des options intéressantes, mais qui restent encore coûteuses. De fait, le coût d’abattement de la voiture à hydrogène fonctionnant avec une pile à combustible (PAC) – qui représente le montant en euros d’une tonne de CO2 évitée – dépasse les 2 000 euros !
Ce coût est donc actuellement trop élevé pour permettre un essor massif de cette technologie. « Cet indicateur est couramment utilisé dans les politiques publiques pour comparer les options techniques envisageables et évaluer le moment où il faut les lancer », souligne Guy Meunier.

Une technologie jeune qui manque de recul 

Néanmoins, le calcul du coût d’abattement marginal des différents véhicules (hydrogène versus diesel par exemple) est souvent effectué de manière statique, en prenant en compte les paramètres à l’instant T, tels que le coût du véhicule, l’émission de CO2 par unité de carburant, la consommation de carburant pour 100 kilomètres parcourus et la durée de vie du véhicule.
Cet aspect statique ne permet pas d’évaluer réellement les avantages d’une technologie naissante comme l’hydrogène. « Le coût d’abattement marginal utilisé ne prend généralement pas en compte les effets d’expérience acquis par les industriels dans le temps », déplore Guy Meunier.
Si les effets d’expérience sont reconnus dans la théorie économique, ils sont difficiles à opérationnaliser
dans les évaluations d’options techniques. « En pratique, les bénéfices d’apprentissage ne sont pas pris en compte, car les calculs sont complexes et dépendent de nombreux paramètres opérationnels », poursuit Guy Meunier.

Un modèle étendu comprenant les effets d’expérience 

Pour apporter des réponses plus pertinentes aux pouvoirs publics et aux industriels du secteur,
les chercheurs ont étudié la trajectoire optimale permettant le remplacement progressif des véhicules
polluants par des véhicules à hydrogène. Ils ont ainsi effectué une modélisation en équilibre partiel du secteur automobile, qui contient deux types de véhicules : polluants à essence et décarbonés à hydrogène. Les aspects dynamiques de ce modèle résident dans les effets d’apprentissage dégagés par les industriels lors de la production des véhicules à hydrogène.

Les chercheurs ont étudié la trajectoire optimale permettant le remplacement progressif des véhicules polluants par des véhicules à hydrogène.

Ainsi, le coût de production des véhicules à hydrogène est supposé convexe et dégressif dans le temps, grâce aux effets d’expérience. De son côté, le coût total des véhicules pour les pouvoirs publics comprend le coût privé de production et le coût social du carbone (externalités négatives). Ce dernier est exogène et croît au rythme du taux social d’escompte de 4 % appliqué par les chercheurs.
Le modèle permet d’étudier les propriétés du déploiement optimal des véhicules propres qui vont progressivement remplacer les véhicules polluants. Le long de ce déploiement, l’analyse montre que le prix du CO2 doit être égalisé avec un coût d’abattement dynamique qui intègre les bénéfices d’apprentissage. C’est le calcul de ce coût qui est difficile à opérationnaliser, notamment en raison des nombreuses contraintes techniques. Pour aller plus loin dans leur raisonnement, et surmonter cette difficulté, les chercheurs ont choisi de prendre une trajectoire donnée, a priori sous-optimale, de déploiement et de calculer la date de lancement optimale du programme. Ce changement de perspective, passant du choix à chaque instant de la quantité de véhicules propres à construire à celui du lancement d’une trajectoire de déploiement donnée, permet d’obtenir un indicateur du coût d’abattement associé à une trajectoire de déploiement et non plus seulement à la production d’un véhicule isolé le long d’une trajectoire.
Après cette partie analytique, les chercheurs sont passés à la phase appliquée en se basant sur la trajectoire du plan hydrogène allemand (H2 Mobility Deutschland), à l’aide d’une étude de McKinsey & Company, datant de 2010. « Notre objectif a été de minimiser le coût de remplacement de 7,5 millions de véhicules du parc automobile allemand. Nous avons donc calculé le coût total des voitures à hydrogène et à essence par année en y ajoutant les effets externes du CO2. Puis, nous avons additionné les années, auxquelles nous avons appliqué un taux d’escompte de 4 %, qui permet de comparer les  coûts à différentes dates », détaille Guy Meunier.

L’hydrogène devient rentable avec les effets d’expérience 

Dans cet exercice, ils ont considéré trois scénarios (élevé, intermédiaire et bas), qui diffèrent selon la valeur de trois paramètres : la part de marché des véhicules à hydrogène en 2050, le taux de croissance du prix de l’essence et le taux d’apprentissage permettant de réduire les coûts de production. Ces simulations numériques n’ayant pas nécessité de grosse puissance de calcul, elles ont pu être réalisées simplement sur Excel. « Le déploiement des véhicules doit commencer quand le coût social du carbone atteint le coût d’abattement escompté », assure Guy Meunier. Dans le scénario intermédiaire, le coût du remplacement de 7,5 millions de véhicules est estimé à 21,6 milliards d’euros à la fin de la transition. Le coût d’abattement dynamique du CO2 de la voiture hydrogène correspondant est de 205 euros par tonne. Le prix du CO2 devant déclencher la transition est alors de 52 euros la tonne ce qui est comparable avec les estimations du coût social du carbone. Quant aux rejets de carbone, ils diminuent annuellement de 2,18 tonnes de CO2 par véhicule. « Avec les effets d’apprentissage, les véhicules à hydrogène coûteraient autant que les véhicules à essence », conclut Guy Meunier. De quoi peut-être inciter davantage les pouvoirs publics à favoriser cette filière dans les années à venir…

« L’HYDROGÈNE EST UNE SOLUTION SYSTÉMIQUE À LA TRANSITION ÉNERGÉTIQUE »

Pierre-Étienne Franc occupe le poste de directeur des marchés et des technologies avancées chez Air Liquide. Dans le périmètre de sa fonction, figure notamment le développement de l’hydrogène, comme source d’énergie décarbonée. Pour l’ILB, il livre son point de vue sur l’émergence de cette technologie, dans le cadre de la mobilité verte et la transition énergétique.

 

ILB : Quels sont les atouts de l’hydrogène en tant que carburant ?
Pierre-Étienne Franc : Pour réussir la transition énergétique, l’hydrogène doit être utilisé en complément de la batterie électrique. Cette molécule permet de pallier le problème d’intermittence, de stockage et de distribution sur le réseau et dans les secteurs aval des énergies renouvelables. Pour la mobilité, l’hydrogène est intéressant, car c’est une molécule dense, qui est quatre à cinq fois plus stockable que l’électricité en masse et deux fois plus en volume. Cela confère davantage d’autonomie aux véhicules à hydrogène. Si vous y ajoutez un temps réduit de rechargement, par rapport aux véhicules électriques, vous avez une solution incontournable de mobilité électrique. Par ailleurs, le carburant hydrogène constitue un potentiel de marché gigantesque, supérieur au chiffre d’affaires annuel d’Air Liquide : sur un milliard de véhicules en circulation dans le monde, la conversion de 10 % de la flotte à l’hydrogène générerait un marché de plus de 100 milliards d’euros. Enfin, l’essor à venir de ce carburant est une solution durable aux enjeux sociétaux et énergétiques d’aujourd’hui.

 

Quels sont les principaux freins au développement massif de l’hydrogène ?
P.-É.F. : Premièrement, le dilemme de l’oeuf et de la poule implique que le déploiement des infrastructures de recharge ne peut se faire sans celui des véhicules à hydrogène et inversement. Deuxièmement, cette technologie a besoin désormais de production de séries pour atteindre des coûts compétitifs. Troisièmement, cette énergie fait face à la concurrence massive de la batterie électrique, qui est plus simple et moins coûteuse à développer dans une première étape. Pourtant, cette filière continue de souffrir de difficulté à atteindre la rentabilité, son bilan environnemental complet reste en débat et l’impact de son déploiement massif sur les infrastructures amont de production et de distribution électrique est totalement sous estimé. Dans ces conditions, la batterie électrique n’apporte qu’une partie de la solution à notre transformation énergétique.

 

Quels sont les leviers envisageables pour développer durablement l’hydrogène ?

P.-É.F. : Tout d’abord, il faut adopter des mécanismes et des méthodologies de financement innovant pour solutionner le dilemme de l’oeuf et de la poule. Dans ce registre, la chaire Energie & Prospérité nous aide beaucoup. Ensuite, comme pour toute innovation, la vallée de la mort doit être dépassée. Enfin, le rassemblement d’acteurs des différents secteurs impactés par la transition est très important. Il démontre que l’hydrogène est un vecteur d’énergie transversal à plusieurs secteurs (stockage, transport, industriel, résidentiel). L’hydrogène est une solution systémique à la transition énergétique. C’est pour cela que le Hydrogen Council a été lancé en janvier dernier à Davos, rassemblant 15 dirigeants de leaders mondiaux dans leurs secteurs (pétrole, énergie, équipements, automobile, gaz industriels, matières premières).

 

Quel est l’horizon temporel du développement de l’hydrogène ?
P.-É.F. : Dans les transports, l’hydrogène a déjà émergé avec les constructeurs Toyota, Honda et Hyundai, qui ont sorti des véhicules spécifiques. Daimler s’y lancera dès l’an prochain, alors qu’Audi, BMW ou encore General Motors envisagent d’entrer sur le marché à compter de 2020. Cette date devrait constituer un premier franchissement de palier. Globalement, l’augmentation des volumes de véhicules permettra de réduire les coûts. Dans le résidentiel, il y a 200 000 piles à combustible installées au Japon, qui alimentent des bâtiments en eau, chauffage et électricité. Et d’autres pays pourraient à terme être tentés par cette source d’énergie. Dans l’industrie, le power to gas permettra de stocker les énergies renouvelables en les transformant en hydrogène. Pour le moment, il y a une vingtaine de projets, mais plus les énergies intermittentes se développeront, plus il y aura de besoins de stockage et donc d’hydrogène.

 

Il semblerait que la France soit en retard dans le carburant hydrogène, pourquoi ?
P.-É.F. : C’est exact. La France affiche une volonté politique et les autorités aident la filière, mais pas suffisamment. Les constructeurs automobiles français sont encore trop focalisés sur les batteries électriques, au détriment de l’hydrogène et de la pile à combustible. Pour développer la mobilité hydrogène, il faut insister sur le développement de flotte captive, qui est une bonne démonstration des avantages de l’hydrogène, comme notre déploiement de taxis électriques hydrogène à Paris, avec le projet Hype. Il faut aussi progressivement se tourner vers les flottes d’entreprises, en particulier dans le secteur de la distribution, pour démocratiser l’usage du carburant hydrogène. 

« IL FAUDRA UNE RÉGULATION FORTE POUR TIRER TOUS LES BÉNÉFICES DE L’INNOVATION DANS LA MOBILITÉ »

Avec l’apparition de nouveaux acteurs et de solutions innovantes sur le marché de la mobilité, la concurrence s’accentue pour le transport ferroviaire. Dans ce contexte, Grégoire Marlot, directeur de la stratégie de la SNCF, expose à l’ILB les enjeux auxquels son groupe est confronté.

 

ILB : En tant qu’acteur historique du ferroviaire français, où se situe votre groupe aujourd’hui ?
Grégoire Marlot : Nous avons dépassé nos frontières ! Nous transportons chaque jour 13,5 millions de voyageurs, dont seulement 5 millions en France. Nous sommes dans le top 10 mondial du transport de marchandises et de la logistique. Au total, un tiers de notre chiffre d’affaires est réalisé à l’étranger. Notre ambition est de devenir le leader mondial de la mobilité partagée, tous modes confondus (train, bus, taxi
partagé, autopartage, etc.). Nous contribuons au développement durable avec des offres de mobilité efficaces, économes en énergie et non polluantes. Il s’agit avant tout d’être compétitif face aux autres modes, pour le client final mais aussi pour les autorités organisatrices, dont les budgets sont contraints.

 

Comment voyez-vous la future ouverture du secteur ferroviaire à la concurrence ?
G.M. : Le marché français du transport ferroviaire de voyageurs va s’ouvrir à la concurrence en 2020 pour le TGV et en 2023, au plus tard, pour le TER. Mais la concurrence est déjà là, depuis toujours : c’est la voiture, avec 80 % des déplacements motorisés, le transport aérien, et maintenant de nouveaux acteurs comme les autocars ou le co-voiturage. Dans le transport de marchandises, le marché ferroviaire a été ouvert en 2006, mais là encore le principal concurrent, c’est la route. Nos marchés vont être bouleversés par le digital. Cela a déjà commencé, avec les plateformes type Blablacar ou Uber, l’information en temps réel, l’achat en un clic, etc. La mobilité devient un service. L’enjeu pour nous est d’être un « intégrateur » de mobilité, offrant des services « porte-à-porte ». Voyages-Sncf.com est la première agence de voyage en ligne en France

 

En quoi la voiture autonome peut-elle bouleverser votre marché ?
G.M. : La voiture autonome, c’est la prochaine étape de la transformation digitale dans les transports. Aujourd’hui le conducteur représente à peu près la moitié du coût d’exploitation d’un taxi ou d’un bus, donc les prix vont fortement baisser, à un horizon 10 ou 15 ans ! De plus, les intelligences artificielles permettront d’optimiser les parcours de ces véhicules. On pourra partager son taxi avec deux autres personnes, sans perdre de temps. Idem pour des services de bus, en centre-ville ou en banlieue. Avec le digital et le véhicule autonome, les business models de la mobilité changent : ils permettront de plus en plus d’offrir des services de mobilité accessibles à tous et sans subvention.

 

Quels sont les scénarios envisageables pour le marché de la mobilité ?
G.M. : Il y a trois grands facteurs de changement : l’innovation technologique, les aspirations des usagers et les politiques de transport. Les aspirations des voyageurs évoluent, on le voit avec l’émergence de l’économie du partage. Le risque est quand même qu’une majorité d’usagers préfèrent toujours se déplacer seuls en voiture, ce qui n’est pas efficace. Le rôle des autorités de régulation sera donc majeur, et il va changer : il y aura peut-être moins besoin de subventions publiques pour les services de mobilité, et plus besoin d’incitations, sous forme de tarifications, de péages d’infrastructure, de restrictions de circulation pour les véhicules polluants et/ou non partagés.
L’enjeu est énorme : avec les politiques appropriées, on peut espérer plus de mobilité, moins chère, avec un minimum de nuisances environnementales… mais sans régulation, on peut aussi avoir plus de congestion et plus de consommation d’énergie. En clair, il faudra une régulation forte pour tirer tous les bénéfices de l’innovation dans la mobilité.

 

Pour conclure, quels sont les apports de la recherche pour votre activité ?
G.M. : En tant qu’ancien chercheur, j’accorde un rôle majeur aux partenariats académiques. Ils sont essentiels, dans le domaine de l’innovation technologique bien sûr, mais aussi pour mieux comprendre les tendances, pour améliorer nos outils d’analyse économique, pour dialoguer avec le régulateur (l’ARAFER) et les autres parties prenantes.