L'hydrogène, nécessaire outil de flexibilité des systèmes énergétiques

25 avril 2018 Dossier

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Philippe Boucly

1er Vice-Président de l'AFHYPAC

L'Association Française pour l'Hydrogène et les Piles à Combustible

A quelques exceptions près, le monde a bien compris que l'un des défis majeurs, essentiels, voire existentiels de notre siècle est la lutte contre le changement climatique. L'un des moyens disponibles, au-delà des nécessaires efforts d'efficacité énergétique et de réduction des consommations d'énergie, est de développer massivement les énergies renouvelables notamment pour la production d'électricité.

Cette contribution croissante des énergies renouvelables aux bilans énergétiques nous contraint à un changement de paradigme. En effet, actuellement, l'électricité est générée dans de grandes installations centralisées dont la production s'adapte à la consommation.

Dans le monde qui vient, l'électricité sera de plus en plus produite par des unités de production d'énergies renouvelables (solaire, éolienne) décentralisées et essentiellement variables. Dans ces conditions, l'adaptation de la production à la consommation est plus complexe et exige des approches nouvelles.

Dans ce monde nouveau caractérisé par une grande variabilité de l'approvisionnement électrique, une plus grande flexibilité sera indispensable et nécessitera la mise en œuvre de solutions telles que moduler la production des moyens traditionnels (à l'aide de turbines à gaz par exemple), développer les réseaux et les interconnexions afin de permettre les échanges entre les territoires ou encore gérer la demande des utilisateurs à l'aide des bons signaux (tarifaires) notamment grâce aux smart grids.

Mais surtout il s'agira de développer des moyens de stockage : c'est là que réside tout l'enjeu de ce que certains qualifient de clé de la transition énergétique.

Cette nécessité de mieux appréhender la question du stockage et surtout d'en faciliter le développement au travers d'investissements a clairement été identifiée par les responsables de la Commission Européenne dans le cadre du « Clean Energy Package » publié en novembre 2016.

Le document de la Commission relatif au stockage de l'énergie publié le 6 février 2017 identifie quatre types de services :

Services « système »: équilibrage du système électrique.
Moyens de secours/garantie de continuité d'activité (backup).
Stockage comme moyen d'éviter de restreindre la production (curtailing) d'électricité renouvelable (i.e.réduire les pertes d'électricité fatale).
Moyen de décarboner des secteurs autres que le secteur électrique.

L'accent est mis également sur l'intégration sectorielle afin de traiter des quantités importantes et de bénéficier ainsi d'économies d'échelle.

Concernant le stockage de l'électricité, au-delà des moyens traditionnels tels que batteries, super-condensateurs, volants d'inertie et stations de pompage, l'hydrogène, au travers du « Power to Gas », est assurément le moyen le plus prometteur et le plus puissant, notamment pour assurer le stockage massif et dans la durée d'électricité d'origine renouvelable.

Qu'est-ce que le « Power To Gas » ?

Le « Power to Gas » consiste en la transformation de l'électricité en hydrogène au moyen de l'électrolyse de l'eau.

L'hydrogène produit peut être utilisé à différentes applications :

Dans l'industrie, comme matière première (Power to Chemical) ou pour créer des atmosphères réductrices ou améliorer les échanges thermiques dans certains procédés.
Pour la mobilité (Power to Mobility) : l'hydrogène est utilisé dans des piles à combustibles pour alimenter des véhicules électriques ou en mélange avec du gaz naturel pour alimenter des moteurs à combustion interne.
Pour la production d'électricité (Power to Power) pour des systèmes isolés (off grid) ou des systèmes insulaires ou dans certaines applications stationnaires (back up notamment).
L'hydrogène peut également être injecté dans les réseaux de gaz naturel directement ou sous forme de méthane de synthèse après méthanation, c'est-à-dire recombinaison de l'hydrogène avec du gaz carbonique (capté par exemple sur des installations industrielles ou de méthanisation).

Cette capacité à traiter la variabilité des énergies renouvelables en offrant des possibilités importantes de stockage peut être déployée à différentes échelles :

A l'échelle nationale ou à l'échelle d'un grand territoire, le Power to Gas permet d'assurer le stockage massif d'électricité dans la durée. Il est admis en effet que dès que la part d'électricité renouvelable variable dans le mix électrique dépasse 40 % environ, le recours à des moyens de stockage massif inter-saisonnier est nécessaire.

Les installations pilotes de ce type sont nombreuses. En Allemagne, des démonstrateurs fonctionnent depuis plusieurs années, tels que celui développé par la société Enertrag à Prenzlau avec les sociétés McPhy et Total et ceux développés par l'énergéticien E-on à Hambourg et à Falkenhagen (avec Hydrogenics et le gestionnaire de réseau de transport de gaz naturel ONTRAS). En Italie, pour pallier la faible capacité d'un réseau de transport d'électricité, ENEL a développé dans le sud du pays le projet Ingrid avec McPhy et Hydrogenics.

En juin dernier, McPhy a livré en Chine, dans la province de Hebei, un équipement de 4 MW pour produire de l'hydrogène dans le cadre d'un projet de « Power to Gas » associé à un parc éolien de 200 MW. En juin également, l'entreprise suisse Alpiq, prestataire de services d'appoint aux réseaux électriques en particulier grâce à des barrages hydrauliques, a acquis la société Diamond Lite, spécialiste des systèmes de production d'hydrogène par électrolyse, afin de développer ces services de stockage.

En France, à Fos sur Mer, dans le cadre d'un consortium réunissant les sociétés RTE, McPhy, Atmostat, Leroux et Lotz, TIGF ainsi que le CEA, la Compagnie Nationale du Rhône et le Grand Port Maritime de Marseille, et avec l'appui de l'ADEME et de la Région PACA, GRTgaz met en place actuellement, pour une mise en service prévue en 2018, un démonstrateur industriel (dénommé JUPITER1000) où sera testé l'ensemble de la chaîne d'injection d'hydrogène et de production/injection de méthane de synthèse dans le réseau de gaz naturel : électrolyseurs de technologie PEM ou alcaline d'une puissance unitaire de 0,5 MW, méthaneur, etc.

À une échelle plus réduite, pour un bâtiment, un éco quartier, ou un site isolé, l'hydrogène est nécessaire dès lors que les quantités à stocker sont importantes. Ce stockage moyen/long terme se fait alors généralement en complément de stockage court terme (1 à 2 jours) réalisé à l'aide de batteries.

La société Powidian a mis en service récemment deux installations de ce type : au refuge du col du Palet dans le parc naturel de la Vanoise et avec EDF à la Réunion dans le cirque de Mafate. Ces installations permettent de s'affranchir du recours à des groupes électrogènes, certes peu coûteux mais bruyants et très polluants. Ces installations peuvent se révéler très intéressantes en l'absence de réseaux électriques développés (Afrique).

De son côté, la jeune société grenobloise Sylfen développe un concept appelé « Smart Energy Hub » sur la base d'une technologie émergente, l'électrolyse à haute température, dont l'intérêt majeur est d'être réversible : la même installation permet de produire de l'hydrogène par électrolyse lorsque l'électricité est en excès et de produire de l'électricité à la demande lorsque c'est nécessaire.

Ce système fonctionne également en complément de batteries. Il est destiné aux grands bâtiments (plus de 1000 m2) et permet de prétendre à une autonomie électrique supérieure à 95 %. Une bonne gestion de la chaleur permet d'atteindre des rendements élevés, de l'ordre de 70%. Une première installation de ce type devrait voir le jour en 2018, le déploiement commercial étant envisagé à l'horizon 2020.

Le « Power to Gas » et de façon générale les technologies de l'hydrogène, ne nécessitent pas de rupture technologique. Ces technologies sont au point mais restent d'un coût élevé. Leur industrialisation et leur intégration dans les systèmes énergétiques nécessitent des efforts importants :

D'optimisation des différentes briques technologiques. Ceci exige la mise en place de démonstrateurs et de pilotes industriels tels que ceux mentionnés précédemment.
De massification: la production de masse des composants de ces systèmes permettra de réduire considérablement les coûts à l'instar de ce qui a été observé pour d'autres produits technologiques nouveaux (panneaux PV par exemple)
De recherche de modèles économiques performants qui généralement combinent plusieurs services par exemple production d'hydrogène pour la mobilité, production d'hydrogène pour l'industrie, services rendus au système électrique, injection dans le réseau de gaz naturel, etc…. Le modèle économique prendra également en compte la mise en place d'installations de stockage d'hydrogène pour éviter éventuellement des investissements coûteux de renforcement du réseau électrique ou pour optimiser un contrat de fourniture électrique (à l'instar de ce qu'a réalisé l'entreprise Powidian pour le bâtiment tertiaire Delta Green à Saint Herblain).
De coordination et de mutualisation des compétences et des moyens. Afin d'assurer la promotion des technologies de l'hydrogène et leur donner une plus grande visibilité, 13 grands groupes (dont les Français Air Liquide, Engie, Total et Alstom) ont créé à Davos en janvier dernier l'Hydrogen Council. Depuis cette date, le nombre d'adhérents a doublé.

Au plan européen, les industriels actifs dans le domaine de l'hydrogène sont regroupés au sein de Hydrogen Europe, qui, dans le cadre d'un partenariat Public-Privé avec la Commission Européenne, développe des projets hydrogène en Europe.

En France, le consortium Mobilité Hydrogène France constitué dans le cadre de l'AFHYPAC est actif dans le déploiement de la mobilité électrique à hydrogène (VUL,bus). En Allemagne, HYPOS (Hydrogen Power Storage&Solutions), un groupement de 114 entreprises et centres de recherche s'est formé avec pour objet la production d'hydrogène vert à partir d'énergies renouvelables, éolienne ou solaire.

Le « Power to Gas », un atout majeur pour la transition énergétique

Le « Power to Gas » permet de mieux intégrer les énergies renouvelables au système énergétique et de valoriser ainsi des énergies qui, en son absence, seraient perdues. L'étude fine de l'application des différents moyens traditionnels de stockage (chauffe-eau, véhicule électrique, STEP, etc…..) aux chroniques annuelles de température montre que ces moyens de stockage ne présentent pas un volume et une flexibilité suffisants pour absorber les surplus d'électricité estimés en France à quelques TWh en 2030, 30 à 90 TWh à l'horizon 2050 selon certains scénarios de développement des EnR.
La conversion d'électricité excédentaire en hydrogène et son injection dans les réseaux de gaz naturel permet, en ayant recours aux infrastructures existantes, d'éviter tout nouvel investissement spécifiquement dédié au stockage. Sur la base d'une consommation annuelle de gaz naturel de 400 TWh, un taux d'hydrogène de 6 % en volume (limite actuellement admise en France) soit 2 % en énergie permet de stocker 8 TWh. La méthanation, production de méthane de synthèse par recombinaison d'hydrogène et de CO2, permet de s'affranchir de cette limite et également de recycler le CO₂(capté par exemple sur un site de méthanisation ou dans une installation industrielle) et de le valoriser dans toutes les applications du gaz naturel.
Le « Power to Gas » peut apporter des services au réseau électrique et participer aux services système, services opérationnels que l'opérateur de réseau met en œuvre pour permettre un bon fonctionnement des réseaux électriques et garantir un approvisionnement en électricité sûr et continu.
Le « Power to Gas » contribue à « décarboner » le mix énergétique ainsi que des secteurs tels que la mobilité. La combustion de l'hydrogène ne produisant que de l'eau, le « Power to Gas » (utilisant de l'électricité décarbonée) permet de réduire les rejets de CO L'hydrogène étant généré localement grâce à l'énergie renouvelable, le « Power to Gas » contribue à réduire les importations de combustibles fossiles et permet par là même d'améliorer la balance commerciale. Assurant le stockage de l'électricité excédentaire, le « Power to Gas » favorise le développement des productions électriques renouvelables nationales, générateur d'emplois et offrant des opportunités d'exportation de ces technologies.

Ainsi, l'hydrogène, grâce au « Power to Gas », permet une meilleure intégration des énergies renouvelables dans le système énergétique en apportant toute la flexibilité nécessaire. Par la transformation de l'électricité en gaz combustible et éventuellement l'injection dans les infrastructures gazières existantes, il permet de créer des passerelles entre les réseaux électriques et gaziers.

A travers la gestion coordonnée des réseaux qu'il impose (réseaux de gaz naturel, réseaux électriques, éventuellement réseaux de chaleur), le « Power to Gas » oblige à une vision systémique de notre modèle énergétique. Il exige une plus grande coopération/coordination entre les opérateurs de réseau d'énergie pour optimiser le système global et construire le système énergétique intelligent du futur, l' «enernet» selon l'expression de Joël de Rosnay.