L'hydrogene - Cet element simple et tres abondant pourrait etre un contributeur cle a la transition energetique, mais dans quelles conditions technico-economiques et politiques? Cette these propose une contribution a l'evaluation de la faisabilite de penetration de l'hydrogene dans le systeme energetique, en mettant en oeuvre differents modeles qui permettent des eclairages complementaires. Elle se concentre sur l'hydrogene bas carbone, obtenu par electrolyse de l'eau. Notre analyse multiregionale qui porte sur le contexte energetique europeen, americain, chinois et japonais (regions qui presentent des defis energetiques contrastes) montre que les politiques energetiques actuelles ne facilitent qu'une faible penetration de l'hydrogene dans le systeme energetique, lui permettant de realiser environ 3% de l'effort a fournir par les quatre regions afin de limiter l'augmentation de la temperature a 2 C par rapport aux niveaux preindustriels. Nous soulignons dans cette these que l'injection d'hydrogene dans les reseaux de gaz naturel qui permet dans une certaine mesure d'eviter des fuites de methane a fort pouvoir de rechauffement, pourrait jouer un role significatif dans la realisation des objectifs de reduction des emissions de gaz a effet de serre. L'analyse des marches de l'hydrogene a ete menee en deux etapes. Tout d'abord, chaque marche (industriel ou energetique) a ete aborde individuellement afin d'etablir des couts d'entree sur ce marche (pour les differents contextes energetiques consideres). Ensuite, les differentes applications de l'hydrogene ont ete resituees en interaction avec l'ensemble du systeme energetique a travers le modele TIMES-PT et un cas d'etude portant sur le Portugal, permettant ainsi d'examiner le potentiel de couplage entre les secteurs energetiques rendu possible par l'hydrogene. Ces travaux ont permis de qualifier l'attractivite des differents marches, celui de la mobilite apparaissant comme le plus favorable. Nous nous sommes ensuite interesses aux couts requis sur l'ensemble de la chaine d'approvisionnement en hydrogene afin de penetrer le marche de la mobilite. Pour ce faire, nous avons utilise des modeles avec une maille geographique et temporelle fine (GLAES, EuroPower et InfraGis), en commencant par l'etape de production. Nous avons etudie le role potentiel de l'hydrogene pour la fourniture de flexibilite au systeme electrique dans un contexte de forte penetration des energies renouvelables intermittentes en France. Nos resultats montrent que l'hydrogene pourrait permettre non seulement d'eviter d'ecreter la production d'energies renouvelables (entre 1,4 et 7,9 TWh en fonction du scenario de capacite d'interconnexion), mais pourrait aussi mettre a profit l'energie nucleaire disponible (bas carbone donc), evitant par-la d'imposer de fortes rampes de puissances aux centrales. Cependant, une attention particuliere doit etre accordee au taux d'utilisation de l'electrolyseur afin de maintenir les couts de production d'hydrogene suffisamment bas. Enfin, nous nous sommes concentres sur l'approvisionnement de l'hydrogene, depuis les sites de production jusqu'a l'utilisation pour la mobilite, la question de l'infrastructure etant un probleme majeur entravant les investissements dans l'hydrogene. Cinq filieres d'approvisionnement (transport et distribution) ont ete developpees a la maille regionale et comparees sur le plan economique pour le cas francais. Nos resultats montrent que, lors des toutes premieres phases de penetration du marche (scenario 1%), il est plus interessant de privilegier la production decentralisee.