Etablissement des marchés de l'hydrogène bas-carbone : perspectives économiques sur l'architecture de marché, la régulation et le commerce international

Creating markets for low-carbon hydrogen : economic perspectives on market design, regulation and international trade

• Auteur / Autrice : Johannes Brauer
• Direction : François Lévêque
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Economie
• Date : Soutenance le 25/10/2023
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale SDOSE (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre d'économie industrielle (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : École nationale supérieure des mines (Paris ; 1783-....)
• Jury : Président / Présidente : Anna Creti-Bettoni
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : François Lévêque, Franziska Holz, Yannick Perez, Manuel Villavicencio
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Franziska Holz, Yannick Perez

Mots clés

Mots clés contrôlés

Électricité -- Distribution

Électrolyseurs

Politique de l'environnement

Énergies renouvelables -- Droit européen

Transition énergétique

Hydrogène vert

Mots clés libres

Hydrogène renouvelable

Transition énergétique européenne

Couplage des secteurs

Optimisation

Régulation

Partenariats hydrogène

Renewable hydrogen

European energy transition

Sector coupling

Optimisation

Regulation

Hydrogen partnerships

Résumé

L'hydrogène bas carbone est un élément important de la transition énergétique européenne en cours. La diversité de ses option d'approvisionnement permet un développement économiquement efficace de l'offre, mais présente aussi un risque d'inefficacité économique si le cadre de développement est mal conçu. Cette thèse contribue à la littérature et aux politiques publiques existantes en abordant trois aspects d'un développement efficace économiquement et ciblé de l'offre d'hydrogène:La première partie contribue à l'analyse du cadre définissant l'hydrogène vert. L'introduction d'une réglementation dénouerait le compromis entre l'empreinte carbone et la viabilité économique de la production d'hydrogène électrolytique. Une telle réglementation affecte les coûts de l'hydrogène, les émissions de CO2 et le bien-être social. Pour éviter d'entraver la décarbonisation ou le fonctionnement des marchés, les décideurs politiques doivent donc équilibrer les aspects environnementaux et économiques lors de l'élaboration de la réglementation. Cet équilibre se joue entre la rigueur de garantir la réduction des émissions de CO2, et la flexibilité de permettre aux électrolyseurs de favoriser l'intégration d'énergies renouvelables supplémentaires. Les exigences introduites par la Commission européenne dans l'acte délégué pour l'équilibrage mensuel des énergies renouvelables supplémentaires installées dans la même zone de dépôt des offres semblent être une décision réglementaire appropriée. La nécessité d'une intervention réglementaire, qui dépend surtout des coûts relatifs des électricités d'origine renouvelable et fossile, s'estompera donc avec la baisse prévue des coûts des énergies renouvelables.La deuxième partie contribue à la réflexion sur les défaillances actuelles des marchés de l'électricité vis-à-vis des congestions du réseau, que les électrolyseurs permettraient de limiter. En effet, l'installation d'électrolyseurs opérés par les gestionnaires du réseau électrique peut améliorer l'intégration des énergies renouvelables et réduire ainsi les congestions, les coûts du système, et les émissions de CO2. L'absence d'incitation à un déploiement tenant compte des contraintes de réseaux dans les marchés actuels de l'électricité appelle donc au changement. Les approches fondées sur le marché, telles que les marchés locaux de flexibilité, les tarifs de réseau dynamiques et la scission du marché, sont souvent écartées en raison de leur complexité de mise en œuvre et de leur faible viabilité à court terme. Toutefois, l'assouplissement des règles de marché actuelles impliquerait davantage les gestionnaires de réseau dans le placement et l'exploitation des électrolyseurs, conduisant à des avantages économiques de court terme, jusqu'à l'implémentation de mécanismes de marché plus complets. Ainsi, la possibilité d'accorder par dérogation aux gestionnaires de réseau d'exploiter la flexibilité des électrolyseurs devrait donc être évaluée.La troisième partie élabore des stratégies d'import pour l'UE et identifie des partenaires commerciaux adéquats pour l'import d'hydrogène et d'ammoniac bas-carbone. L'invasion russe de l'Ukraine a souligné l'importance de la sécurité énergétique en Europe, déclenchant un changement de paradigme dans la politique extérieure de l'UE. Les nouveaux projets d'import d'hydrogène bas-carbone viseront donc à garantir un approvisionnement sûr en plus d'atteindre des objectifs économiques et environnementaux. Les pays voisins de l'UE ont un avantage naturel pour le transport d'hydrogène par pipeline. Or, une stratégies d'import entièrement basée sur les coûts présente un risque de concentration de l'offre et de dépendance excessive. Les résultats montrent toutefois qu'exiger des prérequis politiques, économiques et sociaux des partenaires commerciaux n'a qu'un impact modéré sur les coûts de l'offre. Cela confirme qu'il est primordial de ne pas s'intéresser uniquement aux coûts lors de l'évaluation des partenaires potentiels.

Low-carbon hydrogen is considered key element in the European energy transition. Its various possible supply pathways offer opportunities for the economically efficient development of supply, but also pose risks of economic inefficiencies if their development framework is ill-conceived. This dissertation contributes to the existing literature and policy discourse by addressing three aspects on how hydrogen supply can be developed in a targeted and economically efficient manner:The first part adds to the discourse on a suitable definition of green hydrogen. As it is argued that the production of electrolytic hydrogen comes with a trade-off between environmental integrity and economic viability, the introduction of regulation is proposed to avoid undesirable effects. It is found that the proposed regulatory solution affects hydrogen costs, CO2 emission and welfare. To avoid hindering decarbonisation or creating economic inefficiencies, policy-makers must therefore strike a careful balance between environmental and economic aspects when designing regulation. This entails balancing out strictness to ensure CO2 emission abatement and flexibility to allow electrolysers to help promote the integration of additional renewable energy. The requirements introduced by the European Commission in the Delegated Act for monthly balancing of the additional renewables installed in the same bidding zone seem to be an appropriate regulatory decision. As the trade-off is mostly dependent on the relative costs of renewable and fossil-based electricity, the need for regulatory intervention vanishes with continued declining costs for renewables, as renewable electricity is both the best economic and environmental option.The second part contributes to the thinking on how existing power market rules fail to address grid congestion, and the extent to which electrolysers could provide viable solutions. System-beneficial installation of electrolysers can help to better integrate renewables and thereby reduce grid congestion, total system costs and CO2 emissions. The lack of locational signals to incentivise system-beneficial installation in current power markets thus calls for a revision of their design. Market-based options like local flexibility markets, dynamic grid tariffs and market splitting are not generally considered viable in the short-term for reasons such as implementation complexities. However, regulatory relaxation of current unbundling rules, which allow system operators to be involved in the placement and operation of electrolysers, offer solutions that can lead to short-term economic benefits until more advanced market-based instruments become available. The possibility of granting regulatory exemptions to system operators to unlock system flexibility of electrolysers as given by regulatory sandboxes might therefore be further assessed as they can serve as a non-wire alternative to alleviate congestion.The third part focuses on developing appropriate EU import strategies and identifying suitable trading partners for clean hydrogen and ammonia. Russia's invasion of Ukraine has made security of supply a much higher priority, triggering a paradigm change in EU energy trade policy. New partnerships and investments in clean hydrogen trade should therefore be directed towards achieving not only economic and sustainability objectives, but also ensuring secure and timely supply options. As hydrogen pipeline transport offers competitive advantages to neighbouring countries of the EU, import strategies entirely based on costs pose risks of supply concentration and excessive dependencies. The findings, however, show that putting greater focus on political, economic, and social conditions of trade partners only has a moderate impact on supply costs. This supports the notion that it is worthwhile to not only look at costs when assessing potential partners.