Facteur de flexibilité des systèmes énergétiques, l’hydrogène contribue à la décarbonation des consommations et des usages de l’énergie tout en renforçant les liens entre les secteurs du gaz et de l’électricité.
On parle de différents types d’hydrogène, pouvez-vous nous en dire plus ?
Actuellement, l’hydrogène est principalement utilisé comme matière première dans l’industrie chimique et dans l’industrie du raffinage, cet hydrogène provient de reformeurs à vapeur sur site, de la pyrolyse et il est transporté par camion jusqu’au site client. Il est issu du charbon ou du gaz et dégage 7 à 10 kg de CO2 pour 1 kg d’hydrogène produit, c’est ce que nous appelons l’hydrogène fossile ou hydrogène gris. D’autre part, il y a l’hydrogène vert qui est issu de la production locale par l’électrolyse de l’eau avec de l’électricité bas carbone. En plus de la réglementation, la taxe carbone et la hausse des prix du pétrole et du gaz augmenteront le tarif de l’hydrogène fossile, tandis que les améliorations des technologies et l’électricité moins chère issue des énergies renouvelables réduiront le tarif de l’hydrogène d’origine renouvelable, dit « propre ».
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Quels sont les avantages de l’hydrogène ?
L’hydrogène représente une opportunité majeure en matière d’innovation industrielle et d’atténuation du changement climatique car il apporte une capacité de pilotage des énergies renouvelables intermittentes, une capacité de stockage de l’électricité, un fort potentiel de réduction des émissions de gaz à effet de serre et de nouveaux modèles économiques pour les procédés industriels, l’énergie et la mobilité. Nous avons quelques recommandations à faire pour utiliser pleinement tous ses avantages :
- industrialiser sa production et sortir de l’objectif de projets pilotes ;
- exploiter toutes les ressources énergétiques bas carbone disponibles ;
- concevoir et mettre en oeuvre des solutions d’électrification intégrées ;
- développer des stratégies de réduction des coûts basées sur la flexibilité, le digital et qui englobent l’ensemble du cycle de vie de la chaîne de valeur de l’hydrogène ;
- maximiser l’efficacité des processus de conversion d’énergie et tenir compte des interdépendances dans la production, la gestion et l’utilisation de l’hydrogène ;
- proposer des systèmes complets de sûreté et de sécurité ;
- atténuer les impacts liés à la production d’hydrogène sur les réseaux électriques.
Quels sont, à proprement parlé, les cas d’usage de l’hydrogène ?
Ils sont multiples comme le montre la figure 1. Le premier concerne l’électrification de la production d’hydrogène. C’est un élément-clé de performance, de fiabilité et de création de valeur d’une installation de production d’hydrogène par électrolyse. Du raccordement au réseau jusqu’à l’alimentation des électrolyseurs, les besoins électriques peuvent être intégrés en une solution d’électrification globale. ABB intervient à plusieurs niveaux, notamment dans la conception et la mise en oeuvre des systèmes complets d’électrification des équipements de production d’hydrogène. Nous intervenons également avec des produits et des solutions de conversion de l’énergie pour la connexion au réseau. Nous proposons des solutions d’automatisation et de contrôle de type SCADA. Cette optimisation des besoins en hydrogène et de la disponibilité des sources d’énergie intermittentes pour la production peut être réalisée à l’aide d’un logiciel de pilotage adapté. L’optimisation de la consommation d’électricité peut également faire appel à une solution complémentaire de stockage par batterie.
Le second type d’usage concerne l’intégration de l’hydrogène au réseau électrique. L’hydrogène peut contribuer à la maîtrise de la demande dans un contexte d’offre intermittente, en maximisant l’injection des énergies renouvelables et en renforçant la résilience des réseaux électriques. La part croissante des énergies renouvelables dans le bouquet électrique entraîne une augmentation des situations d’offre « excédentaire » et du risque de pénurie des ressources renouvelables à d’autres moments. Dans un tel contexte, le stockage d’hydrogène peut être une réponse à la gestion des congestions locales, à l’équilibre entre l’offre et la demande à l’échelle du système interconnecté et au besoin de stockage saisonnier, dans une perspective de plus long terme. Enfin, l’hydrogène est également une solution pour les îlots énergétiques, zones non connectées et dépendantes de sources d’énergies carbonées. Les unités de production d’hydrogène doivent être connectées à des systèmes énergétiques plus larges pour fonctionner correctement, fournir des services de flexibilité et être intégrées en toute sécurité dans les réseaux énergétiques. De notre côté, nous proposons une compétence globale sur l’hydrogène, de l’électrification au pilotage énergétique, permettant des gains de flexibilité et de fiabilité et s’appuyant sur une vaste gamme de solutions multi-énergies. L’entreprise est en effet à la convergence des technologies IT, OT et des opérations pour fournir des produits, systèmes, logiciels et services pour toute la chaîne de valeur des réseaux électriques.
Dans le développement de la mobilité zéro émission, l’hydrogène peut contribuer à la réduction des émissions de GES et donc à l’amélioration de la qualité de l’air. Les piles à combustible à hydrogène sont une alternative aux moteurs à combustion thermique et aux véhicules électriques à batterie : dans un véhicule électrique à pile à combustible (FCEV1), l’hydrogène et l’oxygène réagissent dans une pile à combustible pour produire l’électricité qui fait fonctionner le moteur électrique. L’hydrogène permet de limiter le temps de recharge et d’assurer une autonomie importante. L’hydrogène est donc particulièrement adapté à la mobilité intensive, longue distance et au transport lourd. Les piles à combustible sont développées dans tous les modes de transport, y compris les voitures, la navigation maritime et fluviale, les bus, les trains, les transports légers et lourds. Si on s’intéresse plus particulièrement au secteur maritime, afin d’atteindre l’objectif de l’Organisation maritime internationale (OMI) de réduction des émissions du transport maritime d’au moins 50 % d’ici à 2050, les armateurs et opérateurs doivent relever le défi qui consiste à envisager le large éventail d’alternatives de carburants disponibles pour sélectionner la solution la mieux adaptée aux besoins opérationnels. Le système électrique des navires, intégrant les systèmes d’automatisation et de contrôle, transformera l’industrie en diversifiant les sources d’énergie disponibles au-delà des combustibles traditionnels, en y associant le GNL, les batteries, les piles à combustible et en ouvrant la voie à des systèmes hybrides avancés ( figure 2).
© ABB
À titre d’exemple, ABB et Ballard Power Systems ont d’abord signé un protocole d’accord sur le développement de systèmes de piles à combustible de nouvelle génération pour l’industrie maritime. Le nouveau système d’alimentation par pile à combustible sera conçu, développé et validé conjointement par ces deux sociétés, et devrait jouer un rôle important dans l’accélération de l’adoption par l’ensemble du secteur de solutions durables pour la mobilité marine décarbonée. Un nouveau protocole d’accord vient d’être signé avec Hydrogène de France pour fabriquer conjointement des systèmes de piles à combustible de l’ordre du mégawatt capables d’alimenter des navires de haute mer (figure 3).
Pour mettre à disposition l’hydrogène, il faut installer et mettre en opération des stations de recharge. Collectivités et gestionnaires de flottes de véhicules ont un rôle central à jouer dans la mise en place des infrastructures de stockage, compression et distribution d’hydrogène. Levier majeur d’amélioration de la qualité de l’air et de diminution des émissions de gaz à effet de serre, elles initient la création de véritables écosystèmes énergétiques et de mobilité bas carbone. Les stations de ravitaillement multi-énergie peuvent faire office de « hubs énergétiques » et générer des gains globaux d’efficacité. Optimiser la connexion au réseau permet par exemple de tirer parti des complémentarités entre la demande d’électricité et les capacités de stockage de l’énergie, y compris avec le stockage sur batterie, afin de minimiser l’impact sur le réseau. Les gestionnaires d’infrastructure de recharge peuvent s’appuyer sur des solutions logicielles pour s’adapter aux exigences d’utilisation des véhicules, aux temps de recharge, et optimiser les coûts de production d’énergie ainsi que moduler la puissance globale de l’infrastructure de recharge.
Avec plus de 60 millions de tonnes de CO2 par an dans le monde, les industries chimiques et de raffinage du pétrole sont les principaux consommateurs d’hydrogène. Environ 55 % de la production mondiale d’hydrogène sont utilisés pour la synthèse de l’ammoniac, connue sous le nom de procédé Haber-Bosch, principalement pour la fabrication d’engrais. 25 % de l’hydrogène sont utilisés dans les raffineries de pétrole pour la désulfuration, avec une croissance de la demande alimentée par la législation environnementale sur la teneur en soufre de l’essence et du diesel. Environ 10 % de l’hydrogène sont utilisés pour la production de méthanol, qui consiste en l’hydrogénation industrielle du monoxyde de carbone. Les solutions d’hydrogène propre dans l’industrie doivent assurer une rentabilité suffisante et une compatibilité complète avec les opérations des sites industriels. Il est nécessaire de s’appuyer sur une expérience approfondie de l’analyse en procédé et de l’analyse en environnement industriel et proposer des solutions répondant à l’ensemble des exigences.
Et enfin le dernier cas d’usage consiste à développer le power-to-gas, c’est-à-dire l’injection d’hydrogène dans le réseau gazier, procédé qui permet d’accéder à une nouvelle source d’approvisionnement à faible teneur en carbone. Trois voies d’injection sont envisageables : en mélange à 6 % (ou à des taux supérieurs jusqu’à 20 %, avec adaptation des spécifications gaz), par méthanation et en injection 100 % hydrogène. Le couplage entre systèmes électrique et gazier permet d’accroître la pénétration d’énergie renouvelable dans le système énergétique et d’optimiser l’usage des réseaux d’énergie.
Pourquoi ABB s’intéresse-t-il à ce marché, qu’apportez-vous plus précisément ?
Notre groupe est un acteur des énergies propres et décarbonées, de la production à l’acheminement et jusqu’à leur utilisation. À ce titre, nous sommes fortement engagés autour des enjeux énergie-climat et de la contribution de l’hydrogène comme élément d’un mix énergétique décarboné. Les capacités d’intégration et d’électrification sont au coeur du développement des systèmes et technologies de l’hydrogène et de la pile à combustible. Nous proposons des solutions, équipements et services permettant le développement d’une chaîne de valeur hydrogène innovante, compétitive, sûre et durable. Par exemple, nous fournissons des solutions complètes d’électrification et d’automation pour l’optimisation des ressources en hydrogène, des équipements de connexion aux réseaux, des logiciels et des services. De plus, nous sommes déjà positionnés dans les différents secteurs applicatifs de l’hydrogène (industries, flexibilité des réseaux, bâtiments, mobilités) en maîtrisant les spécificités de chacun des segments cibles.
Un mot pour conclure ?
La décarbonation de l’activité économique est un important levier de développement industriel et d’innovation. Dans un contexte de croissance des énergies renouvelables, l’hydrogène renouvelable constitue à la fois une chaîne de valeur stratégique et un vecteur essentiel pour la réduction des émissions de gaz à effet de serre. L’hydrogène propre a un bel avenir devant lui !
