Comment l'énergie hydrogène est utilisée dans la production d'électricité

La production d'électricité à l'aide de l'hydrogène s'effectue principalement selon deux méthodes : les piles à combustible et les turbines à combustion adaptées à l'utilisation de l'hydrogène. La technologie des piles à combustible produit de l'énergie par des processus électrochimiques, et lorsqu'elle est couplée à des systèmes de récupération de chaleur, elle peut atteindre un rendement d'environ 60 %. De nombreuses turbines à combustion existantes, initialement conçues pour fonctionner au gaz naturel, peuvent désormais utiliser des mélanges d'hydrogène ou même de l'hydrogène pur, offrant ainsi aux gestionnaires de réseau la flexibilité nécessaire pour maintenir une alimentation électrique stable. La production d'hydrogène vert consiste à séparer les molécules d'eau à l'aide de sources d'énergie renouvelable telles que l'éolien et le solaire, par un procédé appelé électrolyse. Cet hydrogène vert est stocké jusqu'à ce qu'il y ait une baisse de disponibilité de l'énergie renouvelable, moment où il peut être reconverti en électricité. Prenons l'exemple de l'Allemagne, où plusieurs installations éoliennes offshore produisent déjà de l'hydrogène vert. Ces projets ont permis de réduire la dépendance aux centrales à charbon d'environ 40 % dans certaines zones pilotes, bien que les résultats varient selon les conditions locales et les modalités de mise en œuvre.

Intégration de l'hydrogène dans les réseaux électriques existants

L'hydrogène contribue à rendre les réseaux électriques plus propres tout en maintenant leur stabilité. Lorsqu'il y a un surplus d'énergie renouvelable, l'hydrogène permet de le stocker puis de le restituer lorsque la demande augmente brusquement. Prenons l'exemple du Danemark : ses projets pilotes ont montré que le stockage de l'hydrogène dans des cavernes salines réduit chaque année entre 15 et 20 pour cent environ des pertes d'énergie. On observe aujourd'hui l'émergence de ces installations hybrides où des fermes solaires fonctionnent conjointement avec des équipements d'électrolyse, bien que l'intégration harmonieuse de tous les composants nécessite une gestion énergétique assez sophistiquée, étant donné que l'énergie circule dans les deux sens au sein du système. Observons ce que fait la Californie avec son projet Renewable Hydrogen Backbone : elle utilise effectivement l'hydrogène pour maintenir la stabilité du réseau pendant les vagues de chaleur intenses qui perturbent de plus en plus fréquemment le fonctionnement normal du réseau.

Étude de cas : Centrales alimentées à l'hydrogène en Allemagne et au Japon

L'Energiepark Mainz en Allemagne associe un électrolyseur de 6 mégawatts à des sources d'énergie éolienne pour produire environ 200 tonnes d'hydrogène chaque année. Cette installation peut effectivement fournir de l'électricité à environ 2 000 foyers en cas de coupures grâce à son système de pile à combustible de 1,4 MW. De l'autre côté du Pacifique, le Japon a mis au point quelque chose de encore plus grand appelé le Fukushima Hydrogen Energy Research Field, ou FH2R en abrégé. Avec une capacité de 10 MW, il constitue la plus grande usine mondiale d'hydrogène vert. Elle contribue non seulement à alimenter certaines parties de Tokyo, mais les chercheurs l'utilisent également pour expérimenter le transport de l'hydrogène par voie maritime. Ce qui distingue particulièrement ces projets, c'est leur taux d'efficacité impressionnant d'environ 95 %. Ils parviennent à cette haute performance car ils ajustent la quantité d'hydrogène produite en fonction des besoins réels du réseau électrique à tout moment.

Difficultés liées au déploiement de l'hydrogène pour l'alimentation en électricité de base

Trois obstacles majeurs limitent le rôle de l'hydrogène dans l'alimentation en électricité de base :

• Coût : Les coûts d'investissement des électrolyseurs restent environ trois fois plus élevés que ceux des turbines à gaz naturel.
• Pertes d'efficacité : Le processus de conversion de l'électricité en hydrogène puis de retour entraîne une perte énergétique de 30 à 35 %.
• Infrastructure : Moins de 15 % des canalisations gazières mondiales peuvent transporter en toute sécurité des mélanges d'hydrogène supérieurs à 20 %.

Une revue sectorielle de 2021 a mis en évidence la durabilité des piles à combustible et l'embrittement des canalisations comme priorités clés pour la recherche et le développement, estimant à 1,2 billion de dollars les investissements nécessaires d'ici 2040. Bien que l'hydrogène complète l'énergie renouvelable, il n'offre actuellement pas une parité coûts suffisante pour un déploiement généralisé en tant qu'énergie de base.

Hydrogène pour le chauffage : décarbonation des systèmes industriels et résidentiels

Le rôle de l'énergie hydrogène dans la décarbonation des systèmes de chauffage

Environ 40 pour cent de toutes les émissions de CO2 liées à la consommation d'énergie dans le monde proviennent du chauffage, selon les données de l'AIE de l'année dernière, ce qui explique pourquoi de nombreux experts considèrent l'hydrogène comme un véritable catalyseur pour remplacer les combustibles fossiles dans les fours industriels et les chaudières domestiques. Le fait que l'hydrogène brûle à des températures atteignant près de 2800 degrés Celsius le rend particulièrement adapté aux industries lourdes telles que la production d'acier. Certains essais avec des systèmes micro-générateurs combinés chaleur et puissance à pile à combustible ont également donné des résultats impressionnants, atteignant environ 90 pour cent d'efficacité lorsqu'ils sont utilisés pour les réseaux de chauffage urbain. Ce qui est intéressant, c'est que l'hydrogène fonctionne en réalité assez bien dans environ 20 pour cent des conduites de gaz actuelles sans nécessiter de modifications de l'infrastructure, ce qui pourrait vraiment accélérer l'adoption de cette technologie dans différents secteurs.

Mélange d'hydrogène au gaz naturel dans les canalisations

Le mélange d'hydrogène dans les réseaux de gaz existants offre une voie de transition :

Des essais européens montrent que des mélanges de 20 % pourraient réduire les émissions de 6 millions de tonnes par an tout en maintenant une exploitation sécurisée. Toutefois, en raison de la densité énergétique volumétrique plus faible de l'hydrogène, les débits doivent augmenter de 15 à 25 % à des taux de mélange plus élevés.

Projets pilotes au Royaume-Uni et aux Pays-Bas utilisant l'hydrogène pour le chauffage domestique

Le programme HyDeploy au Royaume-Uni a réussi à mélanger de l'hydrogène dans l'approvisionnement en gaz pour environ 300 foyers à hauteur de 20 %, et la plupart des personnes concernées semblaient satisfaites : environ 8 participants sur 10 ont déclaré être satisfaits. Aux Pays-Bas, les choses sont devenues encore plus intéressantes avec l'expérience H2Stad, où 1 500 foyers ont été effectivement basculés entièrement vers des chaudières fonctionnant à l'hydrogène. Les résultats ont également été impressionnants, réduisant les émissions liées au chauffage d'environ 90 % par rapport aux systèmes classiques au gaz naturel. Bien que ces programmes pilotes montrent que l'hydrogène peut fonctionner à plus grande échelle, certaines préoccupations méritent d'être notées. Des essais sur les matériaux indiquent que si les canalisations transportent de l'hydrogène pur en continu, leur durée de vie utile pourrait se réduire de 12 % à 18 %. Ce n'est pas une excellente nouvelle, mais cela reste gérable avec une planification adéquate.

Préoccupations relatives à l'efficacité et à la sécurité dans le chauffage à base d'hydrogène

Les chaudières à hydrogène fonctionnent avec un rendement d'environ 85 à 90 pour cent, ce qui est en réalité légèrement inférieur à celui du gaz naturel, d'environ 94 %. Ce qui caractérise l'hydrogène, c'est qu'il s'enflamme beaucoup plus facilement, car il ne nécessite que 0,02 mJ contre 0,3 mJ pour le méthane. Cela signifie que nous avons besoin de systèmes de détection de fuites très performants, capables de repérer même de très faibles quantités, peut-être aussi peu qu'une concentration de 1 %. Selon certaines études récentes de DNV datant de 2023, l'hydrogène a tendance à s'infiltrer à travers les tuyaux en polyéthylène environ 30 fois plus rapidement que le gaz classique. En raison de ce problème, la plupart des réseaux de canalisations anciens devront probablement être équipés de revêtements composites spéciaux à un moment donné. Et n'oublions pas non plus la ventilation adéquate. Lorsque les bâtiments sont correctement rénovés, cette simple mesure peut réduire les risques d'explosion de près de 92 %.

L'hydrogène dans les transports : des piles à combustible à l'aviation

Véhicules à pile à combustible à hydrogène comme alternative propre aux transports

Les véhicules électriques à pile à combustible produisent de l'énergie grâce à des réactions chimiques à l'intérieur de la cellule, et ils rejettent essentiellement uniquement de la vapeur d'eau comme émission. Le principal avantage est que le ravitaillement prend moins de cinq minutes, et ces véhicules peuvent parcourir plus de 500 kilomètres avant de devoir être rechargés. Pour des applications telles que les camions longue distance et les navires de charge, cela les rend supérieurs aux batteries classiques, car ils stockent plus d'énergie dans des espaces plus restreints sans sacrifier trop d'espace de chargement. Des entreprises comme Toyota et Hyundai ont récemment commencé à investir sérieusement dans la technologie hydrogène pour leurs besoins de transport lourd.

Adoption de bus et de camions à hydrogène en Californie et en Corée du Sud

Le projet H2 Frontier de la Californie a déployé plus de 50 bus fonctionnant à l'hydrogène dans 12 districts de transport depuis 2023, réduisant ainsi les émissions de 1 200 tonnes par an. En Corée du Sud, le port à hydrogène d'Ulsan exploite 120 camions à pile à combustible pour le transport de conteneurs, soutenus par des électrolyseurs alimentés par l'éolien offshore à proximité.

Trains à hydrogène en Allemagne et en France

Les trains Coradia iLint allemands ont parcouru 220 000 kilomètres sans émissions en 2023. La ligne TER Occitanie en France a remplacé 15 unités diesel par des trains hybrides à hydrogène, qui utilisent des piles à combustible montées sur le toit pour étendre leur autonomie sur les lignes non électrifiées.

Applications émergentes dans les secteurs maritime et aérien

Les exploitants maritimes utilisent de l'ammoniac dérivé de l'hydrogène pour alimenter quatre navires cargo en mer du Nord, réduisant les émissions de CO2 de 85 % par rapport au fioul lourd. Dans l'aviation, des avions régionaux zéro émission propulsés par la combustion d'hydrogène liquide devraient entrer en service d'ici 2035, les prototypes actuels ayant déjà effectué des vols d'essai de 750 km.

Problèmes d'infrastructure pour les réseaux de ravitaillement en hydrogène

Moins de 1 000 stations de ravitaillement en hydrogène existent dans le monde, dont 42 % en Europe et 38 % en Asie. Le stockage sous haute pression reste coûteux — à 1 800 $ par kg en 2024 — et la fragilité des matériaux des canalisations pose problème pour une distribution à grande échelle.

Production d'hydrogène vert : Faire progresser les méthodes durables

Hydrogène gris vs. bleu vs. vert : Compromis environnementaux et économiques

Il existe plusieurs façons différentes de produire de l'hydrogène, chacune ayant son propre impact environnemental et son prix. L'hydrogène gris provient du reformage du méthane par vapeur (SMR) et émet entre 9 et 12 kilogrammes de CO2 pour chaque kilogramme d'hydrogène produit. Le coût ? Environ 1,50 à 2,80 $ le kilogramme selon l'Agence internationale de l'énergie en 2023. Ensuite, il y a l'hydrogène bleu, qui repose essentiellement sur le même procédé SMR mais intègre une technologie de capture du carbone. Cela réduit les émissions d'environ 80 à 90 pour cent, mais augmente le coût à environ 2,50 à 4 $ le kilogramme. Enfin, on obtient l'hydrogène vert, produit lorsque de l'électricité provenant de sources renouvelables alimente des équipements d'électrolyse. Cette méthode n'émet aucune émission directe et coûte actuellement entre 3 et 5 $ le kilogramme. Ce prix a en réalité fortement baissé par rapport à ce qu'il était il y a quelques années à peine, où il se situait autour de 4 à 6 $ le kilogramme.

Des progrès dans l'électrolyse augmentent la production d'hydrogène vert

Les électrolyseurs à membrane échangeuse de protons (PEM) atteignent désormais un rendement de 75 à 83 %, contre 60 % en 2010. Les systèmes alcalins fonctionnent avec un rendement de 65 à 70 % et une durée de vie dépassant 60 000 heures. Les électrolyseurs à oxyde solide (SOEC), qui fonctionnent à des températures de 700 à 900 °C, ont atteint un rendement de 85 % lors d'essais, ce qui laisse entrevoir des perspectives prometteuses pour la production industrielle d'hydrogène vert (ScienceDirect 2024).

Évolution des coûts et potentiel de montée en échelle de la production d'hydrogène alimentée par les énergies renouvelables

Le coût de production d'hydrogène par électrolyse alimentée par l'énergie solaire a chuté de manière spectaculaire, d'environ 62 % depuis 2015. Nous observons désormais des prix compris entre 3 et 4,50 dollars par kilogramme en 2024. En Australie, les parcs éoliens produisent chaque année plus de 1 000 tonnes d'hydrogène vert à environ 3,80 dollar le kg. Pendant ce temps, en Chine, les installations massives d'électrolyseurs rendent la production moins coûteuse chaque année, réduisant les coûts d'environ 18 % par an. À l'avenir, BloombergNEF prévoit que l'hydrogène vert pourrait atteindre seulement 1,50 dollar par kg d'ici 2030. Cela se produirait alors que les sources d'énergie renouvelable poursuivent leur expansion rapide, appelées à représenter près de 85 % de toute nouvelle production d'électricité dans le monde.

FAQ

Quelles sont les principales méthodes de production d'électricité à partir de l'hydrogène ? Les principales méthodes sont les piles à combustible et les turbines à combustion adaptées à l'hydrogène.
Comment l'hydrogène contribue-t-il à la stabilité du réseau électrique ? L'hydrogène stocke l'énergie renouvelable excédentaire, en la restituant lors des pics de demande pour assurer la stabilité du réseau.
Quels sont certains défis actuels liés à l'utilisation de l'hydrogène pour la production d'électricité de base ? Les coûts élevés, les pertes d'efficacité lors de la conversion d'énergie et les limites des infrastructures constituent des défis majeurs.
Comment l'hydrogène est-il utilisé dans les systèmes de chauffage ? L'hydrogène peut remplacer les combustibles fossiles dans les systèmes de chauffage industriels et résidentiels, offrant une alternative durable.
Quelles avancées ont été réalisées dans la production d'hydrogène vert ? Des développements dans la technologie de l'électrolyse et des installations à grande échelle ont considérablement réduit les coûts et accru l'efficacité.