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Les travaux de l’ADEME dans le développement de l’hydrogène énergie

S’appuyant sur des années de recherche et de mise au point en laboratoires publics ou privés, la maturité des technologies liées à l’énergie hydrogène et aux piles à combustible conduit aujourd’hui à de nombreux développements en aval, proches des conditions réelles d’application et de commercialisation. L’ADEME encourage et soutient ces développements. On distingue aujourd’hui trois domaines d’application, aux enjeux distincts pour la transition énergétique : la mobilité, le power-to-gas, ainsi que les applications stationnaires.

Mobilité décarbonée

Les véhicules à hydrogène sont des véhicules électriques, dont la chaîne de traction est alimentée par un système comprenant une pile à combustible. Celle-ci est généralement associée à une batterie, l’ensemble apportant à la fois la puissance et l’énergie nécessaires à l’usage du véhicule. Il existe différentes conceptions de véhicules à hydrogène, avec des degrés d’hybridation variables entre pile et batterie, selon que la pile est employée comme prolongateur d’autonomie ou comme élément de puissance. Si des constructeurs généralistes se lancent dans la commercialisation de modèles de voitures pour les particuliers (Toyota, Honda, Hyundai, Daimler), la mobilité à l’hydrogène recouvre tous les secteurs du transport, et de nombreux développements sont en cours dans les domaines routier (poids lourds, bus), de la logistique (engins de manutentions, chariots), fluvial et maritime (navettes, bateaux).

Le développement de la mobilité à l’hydrogène s’inscrit dans celui, plus vaste, de l’électromobilité pour des déplacements et du transport de marchandises dans les zones les plus vulnérables à la pollution atmosphérique, c’est-à-dire en milieu urbain ou péri-urbain. Dans ce cadre, l’introduction d’une pile à hydrogène dans un véhicule électrique peut avoir deux intérêts :

  • une grande autonomie énergétique : le véhicule dispose de plus de puissance et d’énergie embarquées, ce qui lui confère une autonomie supérieure à 250 kilomètres et offre la possibilité d’alimenter des équipements à bord (par exemple, la réfrigération).
  • une grande disponibilité : le remplissage d’un réservoir d’hydrogène s’opère en quelques minutes, ce qui rend le véhicule électrique plus disponible dans le cas de cycles d’utilisation rapprochés ou de contraintes fortes sur la recharge des batteries. Cela peut conduire à réduire la taille d’un parc de véhicules, en optimisant le taux d’emploi des véhicules électriques.

Le développement de l’électromobilité se traduira par des sollicitations de plus en plus fortes des réseaux publics de distribution d’électricité, en premier lieu par la recharge des batteries des véhicules électriques (recharges lentes ou normales, semi-rapides ou accélérées et rapides). L’hydrogène est à considérer comme un moyen supplémentaire ou alternatif de recharger ces véhicules, offrant une flexibilité accrue entre réseau et véhicules : le procédé d’électrolyse permet en effet de produire de l’hydrogène à partir d’électricité lorsque cela est possible ou souhaité (disponibilité de la production d’électricité, notamment EnR), l’hydrogène étant ensuite stocké en station et introduit dans le réservoir des véhicules. Le vecteur hydrogène permet ainsi de découpler dans le temps la sollicitation du réseau et le remplissage du réservoir d’hydrogène du véhicule électrique.

L’ADEME accompagne des projets d’expérimentation et de développement de véhicules hydrogène, en s’attachant à valider l’adéquation entre véhicules et usages. Le projet HyWay, coordonné par le pôle Tenerrdis, vise en particulier à tester auprès d’une trentaine d’utilisateurs professionnels, des véhicules Kangoo ZE équipés de prolongateurs d’autonomie à hydrogène. Ces véhicules sont alimentés par deux stations localisées à Lyon et Grenoble, qui seront à terme connectées à une production locale d’hydrogène par électrolyse.


Source : ADEME

Ce projet est une première réalisation qui met en application une proposition de plan de déploiement portée par l’Association française pour l’hydrogène et les piles à combustible (AFHYPAC), proposition dénommée « H2 Mobilité France » et à laquelle l’ADEME a participé. Ce plan propose de débuter le déploiement de la mobilité hydrogène par la mise en place de clusters ou stations hydrogène partagées entre opérateurs de flottes captives électriques, localisées dans les métropoles urbaines, pour lesquelles un modèle économique est envisageable.


Source : ADEME

Power-to-gas

Le développement accru des installations de production d’électricité renouvelable mettant en œuvre une énergie variable ou intermittente (notamment, l’éolien et le photovoltaïque) nécessite, à plusieurs niveaux des réseaux d’électricité, en amont et en aval, des installations de stockage d’électricité et des moyens de flexibilité pour équilibrer l’offre et la demande électrique. Le power-to-gas, qui consiste à convertir l’électricité en un gaz, stockable et injectable dans les réseaux existants de gaz naturel, est l’une des solutions envisageables à l’avenir. Deux voies sont particulièrement étudiées :

  • la production d’hydrogène, qui repose sur l’électrolyse de l’eau, mettant en œuvre des technologies matures ou en développement dont le rendement de conversion avoisine les 70 %. L’hydrogène est ensuite mélangé et injecté dans le réseau de gaz naturel. Actuellement, un taux d’incorporation de 6 % est réglementairement possible, des travaux sont menés pour aller au-delà de cette limite ;
  • la combinaison de cet hydrogène avec du CO2 pour former du méthane de synthèse par la réaction de méthanation (dite de Sabatier), qui peut être thermo-catalytique ou de nature biologique. Le méthane ainsi produit est très proche du contenu actuel des réseaux de gaz naturel et il n’existe pas de limite d’injection, hormis celle liée à la capacité physique des canalisations et du stockage.

Cette conversion du vecteur électrique au vecteur gaz s’inscrit, au-delà de la question du stockage, dans une logique de valorisation des excédents de production d’électricité vers les usages du gaz (chauffage, cuisson, gaz naturel véhicule, production d’électricité). Une étude prospective menée en 2014 pour le compte de l’ADEME, de GrDF et de GRTGaz, évalue à 3 TWhé les excédents électriques ainsi valorisables à l’horizon 2030 : ces excédents correspondent aux surplus de production sur de longues durées (> 12 heures), non gérables par les moyens de stockage de court et moyen termes (stations de transfert d’énergie par pompage – STEP, stockage électrochimique). Le coût de production de ce gaz est estimé entre 70 € et 150 € / MWhPCS, soit 2 à 4 fois les prévisions de prix du gaz naturel de l’Agence internationale de l’énergie à cette échéance.


Source : ADEME
Coûts de production des filières H2 et CH4 et des prix de valorisation (source : ADEME, GRTGaz, GrDF)

L’ADEME soutient et accompagne un premier démonstrateur de power-to-gas en France sur le territoire de la Communauté urbaine de Dunkerque, dans une région au fort potentiel éolien. Ce projet, dénommé GRHYD, est coordonné par le CRIGEN (centre de recherche d’Engie) et associe une dizaine de partenaires. Il consiste à expérimenter l’injection d’hydrogène dans le réseau local de distribution de gaz naturel, pour l’alimentation d’un éco-quartier de 200 logements. En parallèle, le mélange constitué d’hydrogène et de gaz naturel, appelé « Hythane® », sera utilisé comme combustible par la flotte de bus GNV de l’agglomération. L’ADEME a récemment sélectionné le projet HYCABIOME, coordonné par Solagro et qui vise la mise au point d’un pilote de méthanation biologique. Cette voie pourrait s’avérer intéressante à terme pour valoriser le CO2 contenu dans le biogaz et optimiser les installations de méthanisation.

Pour en savoir plus :

Lien vers la fiche lauréat de GRHYD

Stationnaire

Les piles à combustibles, dont les piles à hydrogène, sont des technologies de production d’électricité envisageables, outre le champ des applications embarquées, pour des usages stationnaires diffus. La conception modulaire des piles induit une large de gamme de puissance qui peut être couverte, de quelques dizaines de watts au mégawatt. On distingue différents principes de fonctionnement et technologies selon leur positionnement vis-à-vis des réseaux de distribution d’électricité :

  • absence du réseau : pour un site isolé du réseau (habitat, refuges, émetteurs et antennes télécom, etc.), une alimentation dédiée est généralement installée in situ et repose sur une énergie de source renouvelable disponible localement (photovoltaïque, éolien, etc.). Le stockage de l’énergie est essentiel pour assurer une alimentation du site toute l’année. Des solutions hybrides de stockage se développent, sur la base d’un stockage court terme (journalier ou hebdomadaire) par batterie et d’un stockage long terme (saisonnier). Dans ce cas, les excédents d’EnR sont électrolysés, l’hydrogène est stocké en basse pression ou sous forme d’hydrures par exemple, pour être reconverti en électricité via une pile à combustible lors des pics de consommation ;
  • secours au réseau : les piles à hydrogène basse température à électrolyte de type PEM (membrane échangeuse de protons) présentent des caractéristiques de fonctionnement (temps de réponse, stabilité) qui permettent de les employer comme moyens de production ponctuels an cas de défaillance du réseau d’électricité. Des expérimentations ont été menées dans ce domaine (data center, hôpitaux, applications stratégiques) : le coût d’acquisition de ces technologies reste cependant un frein à leur développement ;
  • cogénération : les piles à combustible peuvent, également, fonctionner en mode de production continue, et produire de manière combinée électricité et chaleur valorisée sur site. Dans ce cas, les piles à combustible, de type PEM associées à un reformeur interne, ou de type haute température à oxyde solide, par exemple, sont alimentées non en hydrogène, mais en un combustible carboné (gaz naturel, biogaz). Dans le cas d’un développement de la production d’électricité décentralisée, comme au Japon ou en Allemagne, les hauts rendements électriques des piles (de 30 à 60 %) en font des systèmes de cogénération intéressants pour les bâtiments résidentiels et tertiaires neufs, pour lesquels la part des besoins en électricité s’accroît au détriment des besoins thermiques. On pourra à terme envisager une commande et un pilotage intelligents de ces systèmes, pour un fonctionnement qui tienne compte des conditions du réseau électrique en temps réel.

L’ADEME accompagne dans ce domaine des projets de développement, qui contribuent à valoriser les EnR et l’efficacité énergétique des systèmes énergétiques au plus près des usages. Le projet THEMIS, piloté par la PME Atawey, consiste ainsi à mettre au point une alimentation autonome pour relais de communication. L’installation, destinée à des clients professionnels, s’appuie sur un stockage saisonnier d’électricité par hydrogène de 8 MWh. Le projet EPILOG, coordonné par GRDF, a pour objet de tester en conditions réelles chez l’habitant trois systèmes de cogénération par pile développés par la constructeur Viessmann.


Source : ADEME

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