Soutenance mémoire
Contexte de déploiement du marché de l’hydrogène carburant
D’après certaines études récentes [Graversen et al., 2008], l’augmentation constante des émissions de gaz à effet de serre sur notre planète serait bien à l’origine des dérèglements climatiques actuels. De ce fait nos habitudes énergétiques doivent changer. Pour cela, nos comportements individuels doivent devenir plus responsables et s’adapter aux exigences d’un développement durable, et surtout, les technologies de l’énergie, pour sa production, sa fourniture et son utilisation, doivent devenir plus propres. Les gouvernements de la majorité des pays développés se sont engagés, à travers la signature du protocole de Kyoto, à réduire leurs émissions de gaz à effet de serre. Pour respecter les engagements qu’ils ont pris, les pays doivent trouver des solutions alternatives non polluantes pour satisfaire leurs besoins en énergie. Le gouvernement français a, dans cette optique, adopté, le 22 juillet 2004, un » Plan climat » qui rassemble des mesures de réduction des émissions de CO2 étendues, non seulement au secteur industriel, mais à tous les secteurs de l’économie et de la vie quotidienne des Français. Ce Plan climat présente une stratégie de recherche technologique destinée à diviser par 4 à 5 les émissions françaises de gaz à effet de serre d’ici 2050.
Nos consommations d’énergies fossiles sont les principales responsables de ces émissions de gaz à effet de serre. Or, en France, le secteur qui utilise le plus d’énergie fossile est le transport. En effet, notre électricité étant à 80% d’origine nucléaire, le secteur industriel français n’est pas la cause majeure des émissions de gaz à effet de serre. Ainsi, le secteur sur lequel nous devons faire le plus d’efforts en France sera les transports. Dans ce secteur, l’hydrogène, qu’on appellera « hydrogène carburant », apparait comme une alternative au pétrole doublement intéressante. Son utilisation dans une pile à combustible permet d’alimenter un véhicule sans rejet de gaz à effet de serre, et par ailleurs, sa production peut être envisagée, à long terme, sans recours aux énergies fossiles, dont les réserves sont estimées à quelques dizaines d’années, mais uniquement grâce aux énergies renouvelables. L’hydrogène apporterait ainsi un avantage dans la sécurité d’approvisionnement énergétique des pays.
La distribution de l’hydrogène comme carburant à l’ensemble de la population d’un pays, puis d’un continent, nécessiterait le déploiement d’une importante infrastructure. La chaîne de distribution de l’hydrogène n’est pas triviale. En effet, l’hydrogène (H2) est un gaz qui ne se trouve pas à l’état naturel sur terre. Il peut être produit par divers processus à partir de diverses sources d’énergie primaire (gaz naturel, électricité, biomasse,…). L’hydrogène gazeux (GH2) ainsi produit est très peu dense. Il doit alors être conditionné en bouteilles ou en citernes sous forme d’hydrogène comprimé à haute pression (CGH2) ou être liquéfié (LH2) afin de permettre son stockage et son transport en plus grandes quantités dans de plus petits volumes. Le transport de l’hydrogène peut s’effectuer par camions (pour le CGH2 ou LH2) ou au travers de canalisations (pour le GH2). Enfin, concernant l’application visée, l’hydrogène devra être distribué aux clients finaux par le biais de stations service.
Description de la chaîne logistique de l’hydrogène comme carburant
L’hydrogène est un gaz qui n’est pas présent à l’état naturel sur terre. Il existe plusieurs procédés permettant de le produire. Les procédés peuvent être classifiés en trois grandes catégories que sont les technologies de production thermochimiques (le vaporeformage d’hydrocarbures tels que le gaz naturel, le méthane et le pétrole, l’oxydation d’hydrocarbures tels que le charbon et la biomasse), les technologies de production électrolytiques et les technologies de production photolytiques. L’hydrogène est un gaz très peu dense (0,08988 kg/Nm3 à 273°K). Il existe plusieurs modes de transport et de stockage permettant de réduire son volume. Une fois produit, l’hydrogène peut donc être transporté par canalisations à l’état gazeux, après une étape de compression. Il peut également être conditionné à haute pression pour être transporté par camions dans des bouteilles ou de grands réservoirs cylindriques.
Enfin, l’hydrogène peut être liquéfié pour être transporté en plus gros volumes, par des camions cryogéniques. Il est alors près de 800 fois plus dense qu’à l’état gazeux d’où, a priori, l’intérêt évident que présente cette forme liquide pour le stocker et le transporter. Cependant, un certain niveau de technologie cryogénique est à mettre en œuvre, que ce soit pour le liquéfier ou pour le conserver à l’état liquide. En fin de chaîne, l’hydrogène carburant doit être distribué aux clients finaux. Cette distribution se fait dans des stations service. Pour chaque station, on considère qu’elle peut fournir l’hydrogène sous trois formes pour que tout véhicule, avec n’importe quel type de réservoir embarqué, puisse s’approvisionner en carburant : distribution d’hydrogène gazeux à haute pression, distribution d’hydrogène liquide, ou distribution de bouteilles pour un échange plein contre vide. Pour ces deux dernières formes d’hydrogène carburant, l’approvisionnement est imposé par la nature même du carburant à distribuer. Pour fournir de l’hydrogène liquide, la station doit être approvisionnée en hydrogène liquide car il n’est pas possible de liquéfier de l’hydrogène à l’échelle d’une station. Pour fournir des bouteilles, on considère que la station doit être approvisionnée en bouteilles pleines plutôt que d’envisager que le remplissage soit effectué en station par un agent. On se calque sur le modèle de distribution des bouteilles de butane/propane.
Analyse du système : Méthode SCOS’M
Nous nous intéressons à l’ensemble de la future chaîne logistique de l’hydrogène comme carburant. D’après la définition de [LeMoigne, 1999], reprise par Bocquet, d’un « système industriel comme mettant en œuvre des processus, étant constitué de moyens et évoluant sur son cycle de vie; sa finalité étant, dans un environnement donné (marché, concurrence, fournisseurs), de générer de la valeur ajouté » nous pouvons considérer cette chaîne logistique comme un système industriel. Ce système se compose de nombreux éléments en interaction, et son coût, que l’on cherchera à évaluer, n’est pas la somme linéaire du coût de ses composants comme nous le montrerons. Ces caractéristiques montrent que nous sommes face à un système au moins compliqué à étudier. Etant en phase de préconception, la majorité des caractéristiques de notre système sont incertaines et notre système peut être considéré comme un système complexe.
Périmètre du système
Dans l’environnement de notre « système logistique de l’hydrogène carburant », nous avons identifié tous les systèmes permettant de fournir les matières premières ou ressources, ou sources d’énergie primaire, permettant à notre système de produire de l’hydrogène. Le système de production de biomasse comprend la culture de la biomasse et son transport, ou sa mise à disposition, jusqu’à nos unités de production. Le système de production de gaz naturel comporte les processus d’extraction et de transport du gaz naturel depuis leurs gisements, jusqu’à nos usines. Le système de production d’électricité correspond à la production et la mise à disposition de l’électricité pour toutes nos unités de production et de transformation d’hydrogène. L’atmosphère correspond à l’environnement au sens écologique du terme. Enfin, le système des clients comporte l’ensemble des clients que notre système logistique de l’hydrogène carburant doit servir.
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Table des matières
INTRODUCTION GENERALE
I. CONTEXTE DE DEPLOIEMENT DU MARCHE DE L’HYDROGENE CARBURANT
II. PRESENTATION DE LA PROBLEMATIQUE
III. ORGANISATION DU MEMOIRE
CHAPITRE 1 –ANALYSE DU SYSTEME INDUSTRIEL ET CARACTERISATION DU PROBLEME D’OPTIMISATION
I. DESCRIPTION DE LA CHAINE LOGISTIQUE DE L’HYDROGENE COMME CARBURANT
II. ANALYSE DU SYSTEME : METHODE SCOS’M
III. CARACTERISATION DES CHAINES LOGISTIQUES RETENUES
IV. CONCLUSION DU CHAPITRE 1
CHAPITRE 2 – APPORTS DE LA LITTERATURE POUR LA CONCEPTION ET LE DEVELOPPEMENT D’UN OUTIL D’AIDE A LA DECISION
I. MODELES D’AIDE A LA DECISION EN GENERAL
II. CONCEPTION DE RESEAUX LOGISTIQUES
III. PROSPECTIVE ENERGETIQUE
IV. DEPLOIEMENT DE L’HYDROGENE ENERGIE
V. CONCLUSION DU CHAPITRE 2
CHAPITRE 3 – PROPOSITION D’UNE APPROCHE COUPLANT SIMULATION ET OPTIMISATION
I. ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE POUR L’OPTIMISATION DANS L’INCERTAIN
II. PRESENTATION DE LA METHODE ET DE L’OUTIL DEVELOPPES
III. PRESENTATION DU MODELE ECONOMIQUE
IV. CONCLUSION DU CHAPITRE 3
CHAPITRE 4 – PRESENTATION DES SCENARIOS
I. DEFINITION D’UN SCENARIO
II. CADRE DE L’ETUDE
III. CONSTITUTION DE 8 SCENARIOS DE REFERENCE
IV. PARAMETRES DE SENSIBILITE
V. CONCLUSION DU CHAPITRE 4
CHAPITRE 5 – SIMULATION ET ELABORATION DES FONCTIONS DE COUT
I. PRINCIPE DE LA SIMULATION
II. HYPOTHESES ET REGLES LOGISTIQUES
III. CONSTRUCTION DES FONCTIONS DE COUT PAR SURFACES DE REPONSE
IV. CONCLUSION DU CHAPITRE 5
CHAPITRE 6 – OPTIMISATION DE SURFACES DE REPONSE NON CONVEXES
I. DESCRIPTION DU MODELE D’OPTIMISATION
II. RESOLUTION
III. CONCLUSION DU CHAPITRE 6
CHAPITRE 7 –ANALYSE DU MODELE ET RESULTATS
I. INTERPRETATION DES RESULTATS
II. IMPACT DES DONNEES TECHNIQUES ET ECONOMIQUES DES TECHNOLOGIES
III. ANALYSES DE SENSIBILITE SUR LES SCENARIOS
IV. ANALYSE DE LA STRUCTURE LOGISTIQUE DES SOLUTIONS
V. CONCLUSION DU CHAPITRE 7
CONCLUSION GENERALE
I. PRINCIPAUX APPORTS
II. DISCUSSIONS ET PERSPECTIVES
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES
