Etude d’un système de conversion d’énergie en vue de la contribution du vecteur hydrogène 

Par Hydrocarbures

Comme son nom l’indique, les hydrocarbures sont formés essentiellement d’hydrogène et de carbone dont la formule brute s’écrit comme ? étant plus grand que ?. Pour dissocier ces deux atomes lorsqu’ils forment par exemple du gaz naturel qui est composé majoritairement du méthane (C 1 H 4 ) ou lorsqu’ils forment du charbon, les techniques de reformage à la vapeur et la gazéification sont respectivement les plus utilisées pour produire de l’hydrogène à l’échelle industrielle. 96% de l’hydrogène utilisé aujourd’hui est produit par le reformage à la vapeur. Le principal problème lié à ces techniques est la quantité non négligeable du gaz carbonique qu’elles produisent[74]. Ce qui est loin d’être l’idéal lorsqu’on prétend aller dans le sens des objectifs de la transition énergétique. Ainsi ces techniques qui permettent de produire de l’hydrogène à partir des sources hydrocarbures sont écartées dans notre étude car ne répondent pas aux exigences écologiques.

Par la Biomasses

Il est possible également de produire de l’hydrogène à partir des biomasses.
Il faut savoir qu’en parlant des biomasses, on parle de l’ensemble de la matière organique d’origine végétale incluant les microalgues, animale, bactérienne ou fongique (champignons) vivante. Mais elle est largement dominée par les végétaux qui stockent de l’énergie du soleil par photosynthèse. On comprend alors qu’elles puissent contenir une quantité importante de l’hydrogène. Trois étapes sont indispensables pour la production de l’hydrogène via ces sources. Il s’agit de la conversion thermique, la gazéification ou la thermochimie et la fermentation ou le procédé biologique. L’énergie nécessaire pour la production d’une mole du dihydrogène suite à ces étapes est d’environ 60kJ. On comprend alors qu’avec la production d’hydrogène à partir de ces sources, la question de rendement va se poser sans même parler de la difficulté qui se pose lorsqu’on va essayer de maitriser la chaleur développée au cours de ces réactions[75].

Par l’eau

Environ 70% de la surface de la terre est couverte d’eau Trois principaux procédés sont mis en concurrence pour dissocier la molécule H2O :
La photo-électrolyse de l’eau qui consiste à dissocier ces atomes par un courant électrique produit par l’éclairement d’un photo-catalyseur à semiconducteur. Le photo catalyseur est immergé dans un électrolyte aqueux ou dans l’eau et illuminé par la lumière solaire arrive à décomposer l’eau en hydrogène et en oxygène sous une certaine condition d’énergie. Le développement de cette méthode dépend exclusivement du développement de la technologie des matériaux. Ce qui cause son retardement.
La photosynthèse utilise les organismes de certaines algues vertes unicellulaires ou cyanobactéries qui possèdent l’avantage de produire de l’hydrogène à partir de l’énergie solaire en utilisant l’eau comme donneur d’électrons et de protons sans le dégagement parallèle de gaz à effet de serre inhérent aux autres organismes hétérotrophes. Dans ce cas, unprocédé totalement propre basé sur la photosynthèse peut être envisagé, avec comme source d’énergie les deux plus importantes ressources de notre planète, l’eau et le soleil. La difficulté est que chez de nombreux microorganismes, la production d’hydrogène est catalysée par une enzyme qui est détruite ou inhibée par l’oxygène, or l’oxydation de l’eau produit de l’oxygène moléculaire : les deux processus doivent donc être séparés. Le problème a été résolu chez certaines algues et certaines cyanobactéries où se réalisent l’oxydation de l’eau et la production d’oxygène : les deux processus ont lieu soit dans des compartiments différents ou soit à des moments différents du cycle vital. Des recherches sont en cours pour rendreunifier ces deux processus afin de rentre cette technique compétitive.
Enfin l’électrolyse de l’eau qui est une réaction électrochimique qui vise à séparer la molécule d’eau afin d’obtenir de l’hydrogène ainsi que de l’oxygène. Le dispositif qui permet de réaliser cette technique s’appelle l’électrolyseur et est constituée de deux électrodes (cathode et ano de), d’un électrolyte et d’un générateur de courant continu. Selon la nature de l’électrolyte utilisé, cette technique est repartie en trois branches.
Il s’agit de l’électrolyseur à membrane échangeuse de proton (PEM) qui présente entre autres l’avantage d’être commercialisable aujourd’hui avec un rendement énergétique allant jusqu’à 90% y compris la chaleur[76], capable de fonctionner dans une gamme de 10-100% de sa puissance nominale[77], ce qui présente un point important par rapport à la fluctuation des sources d’énergie renouvelable. Elle est capable également de produire de l’hydrogène avec une pureté allant jusqu’à 99,99% [17-23], éliminant ainsi le système de purification d’hydrogène et il est capable également de produire de l’hydrogène à des pressions près de 400 bars [17-19] sans avoir recours à l’étape supplémentaire de compression, ce qui diminue considérablement la quantité d’énergie à apporter pour l’étape de la compression [16].
Quant à la technologie dite alcaline, elle est plus mature et présente une capacité de production plus élevée que la précédente. Cependant, son utilisation demande plus de dispositifs d’électroniques de puissance. Or
Celles-ci ne sont pas très tolérantes aux variations électriques.
Enfin, il y a la technologie à oxyde solide (SO) qui fonctionne à une température allant jusqu’à 1000°C, ce qui nécessite un apport supplémentaire de chaleur. Cette dernière est plutôt appropriée pour être installée à côté d’une centrale nucléaire ou une centrale panneau photovoltaïque à concentration [18].
Puisque la production d’hydrogène dans notre contexte d’étude doit être faite en s’assurant d’éviter au mieux le gaspillage de l’énergie, alors il est important de trouver une meilleure façon de stocker l’hydrogène.

Stockage d’hydrogène

L’hydrogène produit peut être stocké principalement sous formes gazeuse, liquide ou solide [82]. L’hydrogène est un gaz extrêmement léger qui occupe un volume important dans les conditions standard de pression. Il est 11 fois plus léger que l’air que nous respirons. Un simple calcul nous montre que par exemple pour stocker 5 kg d’hydrogène dans les conditions standard de pression et de température, il faut environs un volume de 56000 litres, soit une sphère de rayon 5.5 m. Ce qui montre clairement la nécessité de comprimer pour être stocké quelque soit la forme de stockage envisagée. Sinon l’encombrement devient un problème important dans son utilisation. Le stockage sous forme liquide consiste à transformer l’hydrogène gazeux en hydrogène liquide en le refroidissant à une température inférieure de -252,87°C. Ainsi à 1,013 bar, l’hydrogène liquide présente une masse volumique d’environ 70 kg/m 3 . Dans ces conditions, 5 Kg d’hydrogène peut être stocké dans un réservoir de 75 litres. Le problème est qu’environs 1/3 de l’énergie fournie par l’hydrogène est utilisé pour ce stockage et 1% d’hydrogène stocké s’évapore par jour[66], [70]. Puisque nous parlons de stockage de longues durées. Cette forme de stockage n’est certainement pas appropriée, cependant elle est largement utilisée dans d’autres applications particulières de très hautes technologies comme la propulsion spatiale. Par exemple, les réservoirs de la fusée Ariane, conçus et fabriqués par Air Liquide, contiennent les 28 tonnes d’hydrogène liquide qui vont alimenter son moteur central. Ils ne pèsent que 5,5 tonnes à vide et leur paroi ne dépasse pas 1,3 mm d’épaisseur[83].

Usages de l’hydrogène

Au-delà des usages industriels pour lesquels l’hydrogène est habituellement et majoritairement produit, de nombreux autres usages font de plus en plus surface. C’est pour cela d’ailleurs qu’il reçoit autant de convoitise en tant que potentiel vecteur énergétique dans ce domaine. Comparé aux vecteurs énergétiques habituels comme l’électricité ou la chaleur, ce vecteur est utilisé comme carburant dans des véhicules dotés de pile à combustible[89]–[95]. Il permet de capturer du CO2 pour former du méthane par la technique de méthanation[96] .

Lissage d’énergie d’un parc éolien par la technologie d’hydrogène

Tout comme la majorité des sources d’énergie renouvelable, la puissance produite par un système de conversion d’énergie éolienne est variable et intermittente à cause de la nature de sa source qui est le vent. On entend par lissage, l’action de rendre utile au mieux l’énergie qui est inéluctablement perdue dans ce processus à travers le stockage d’énergie. Dans sa forme simplifiée, le processus de stockage d’énergie consiste à stocker l’énergie électrique produit pendant les heures de surproduction ou de faible consommation pour être convertie en une forme d’énergie stockable pour des utilisations en temps différés comme décrit sur la figure I-3[108].
Dans le cadre de cette étude, la ligne directrice sera l’utilisation de l’énergie excédentaire à travers un électrolyseur pour la production d’hydrogène lequel sera reconverti en électricité via une pile à combustible pour être injecter dans le réseau électrique. Ainsi la performance de la pile à combustible est évaluée à des fins d’injection dans un réseau électrique.
Contrairement à électrolyseur, il existe six(6) types de piles à combustible pouvant jouer ce rôle, mais qui sont de faibles rendements électriques (40-60)% [82]. Également comme on peut observer dans le tableau I -3[109], les piles à combustible au méthanol direct (DMFC) et à Alcaline (AFC) répondent à des gammes de puissances relativement faibles. Ce qui réduit le choix aux quatre technologies restantes, à savoir la pile à membrane échangeuse de proton (PEMFC), la pile à acide phosphorique (PAFC), la pileà carbonate fondu (MCFC) et la pile à oxyde solide (SOFC).

Projets et recherches scientifiques sur hydrogène énergie

Compte tenu de l’engouement au tour de la transition énergétique de façon générale, mais par rapport à la question d’hydrogène énergie en particulier, il n’est pas étonnant qu’il puisse avoir déjà des projets réalisés ou en cours de réalisation dans ce domaine, mais également des projets de recherches dans les laboratoires. Dans les paragraphes suivants, nous allons abordés les avancées sur ce sujet dans ces deux volets.

Recherches scientifiques

Les laboratoires de recherches scientifiques sont sérieusement actifs sur la question d’hydrogène énergie. Il est important de comprendre que les objectifs sont divers et variés comptes tenus de la complexité qui se présente pour la maitrise de cette technologie. Entre les sources électriques et l’utilisation en passant par le stockage, de nombreux aspects sont àétudier.
F. Gutiérrez-Martín et al. [113] ont étudié un système qui est composé d’un parc éolien, un électrolyseur, un réservoir d’hydrogène et une pile à combustible pour montrer au final que jusqu’à 40% d’électricité qui est à la base inéluctablement perdue (énergie fatale) peut être réinjectée dans le réseau électrique. Le seul aspect qui les intéressait était donc le rendementdu système de stockage.
Les auteurs de [114] ont montré que le Nm3 de l’hydrogène coûterait 0,29$ et 0,425$ lorsqu’on alimente un électrolyseur alcalin respectivement avec l’électricité éolienne et l’électricité du réseau électrique. Le critère fondamental était de comparer le coût des deux cas de figure bien que la production éolienne soit variable.

Projets Hydrogène énergie

Dans la pratique également, de nombreux projets de démonstration sont en cours de construction partout dans le monde dans le cadre de la transition énergétique et visent à optimiser le potentiel des énergies renouvelables par le stockage d’hydrogène. Là aussi les projets sont présentés avec des objectifs bien précis.
En Italie, le projet INGRID[121] a été lancé en 2014 dans le but d’une démonstration industrielle qui consiste à produire, à partir d’énergie renouvelable, de l’hydrogène par électrolyse, le stocker sous forme solide. L’hydrogène stocké est réutilisé soit pour produire de l’électricité via une pile à combustible, soit pour alimenter le marché de l’hydrogène. Le système a une capacité de 39 MWh comportant un générateur d’hydrogène de 1,2 MW et un stockage d’hydrogène solide de technologie McPhy de plusd’une tonne d’hydrogène.

Choix de la structure et des stratégies d’étude

Après une analyse bibliographique sérieuse, on s’aperçoit compte tenu de la diversité des besoins d’utilisation d’énergie, que l’identification d’un cycle d’usage type et sa stratégie de gestion dépend de plusieurs paramètres entre autres le taux de rampes, le temps de réaction, le temps de stockage, la maturité de la technologie ou encore le coût de l’installation du systèmede stockage.

Structure du schéma d’étude

Un résumé presque complet des possibilités de stockage des énergies renouvelables est montré sur la Figure I-11 et qui donne un aperçu des possibilités de co-développement entre l’énergie pour le stationnaire et l’énergie pour la mobilité, basées uniquement sur la technologie d’hydrogène.
Différents scénarios intéressant se dessinent sur la Figure I-11 :
– Stockage d’hydrogène pour le service réseau électrique : Reconvertir de l’hydrogène stocké en électricité via des piles à combustible pour la réinjecter dans le réseau électrique ;
– Stockage d’hydrogène pour le service réseau de gaz : L’hydrogène stocké est injecté dans le réseau à des proportions bien prédéfinies par des normes le concernant ;
– Stockage d’hydrogène pour des services de mobilité : L’hydrogène produit est stocké à haute pression dans des stations de service à hydrogène pour ravitailler des véhicules et autres objets mobiles dotés de piles à combustible.

Stratégie d’étude

Avant de rentrer dans la démarche de recherche de stratégie de gestion du système, il faut rappeler qu’il existe principalement deux catégories d’énergie dans la gestion d’un parc éolien qui peuvent être rentabilisées pour augmenter son rendement annuel. Il s’agit de l’énergie disponible audel à du taux d’intégration accepté par le réseau comme présenté sur la Figure I-15[8] et la quantité d’énergie produite pendant les heures de faibles consommations ou de fortes productions.

Analyse économique

Après avoir montré qu’il existe diverses possibilités de projet dans l’utilisation du vecteur hydrogène, il est important de voir les aspects économiques. Là aussi, la littérature nous apprend plusieurs aspects. M.
Minutillo et all [128] ont réalisé l’étude à la fois énergétique et économique sur le système de la Figure I-18 à base de biogaz pour la production combinée d’hydrogène, de chaleur et d’électricité.
Ils ont réalisé une évaluation économique estimant l’investissement total en capital et la rentabilité de l’installation, cela en analysant différentes stratégies de gestion à savoir la charge de base, service auxiliaire et mobilité tout en tenant compte de différents niveaux de développement technologique et scénarios de marché. Les résultats montrent que la production d’hydrogène est le principal contributeur à la durabilité économique du système grâce aux prix les plus élevés de l’hydrogène par rapport à ceux de l’électricité.

Etude d’un système de conversion d’énergie en vue de la contribution du vecteur hydrogène

Comme présenté dans le tableau, dans l’intervalle (4-18) s, la production du parc éolien est inférieure à la puissance nominale de l’électrolyseur et le prix de l’électricité sur le réseau est inférieur à 40 €/MWh. Alors l’achat sur le réseau électrique est privilégié contre la reconversion du stock d’hydrogène via la pile à combustible. Ainsi l’électrolyseur est alimenté à sa puissance nominale en utilisant la production du parc éolien et l’électricité acheté sur le réseau électrique.
Dans l’intervalle (20-30) s, la production du parc éolien est égale à la puissance nominale de l’électrolyseur et le prix d’électricité sur le réseau est supérieur à 40 €/MWh. Alors pas d’achat d’électricité sur le réseau électrique et pas de reconversion du stock d’hydrogène via la pile à combustible non plus puisque le parc éolien seul permet de faire fonctionner l’électrolyseur à sa puissance nominale.
Dans l’intervalle de (80-90) s, la production du parc éolien est inférieure à la puissance nominale de l’électrolyseur et le prix d’électricité sur le réseau est supérieur à 40 €/MWh. Il est alors alimenté uniquement avec la production de l’éolienne qui est inférieure à 5 MW dans cet intervalle. Non plus pas de reconversion du stock d’hydrogène via la pile à combustible car il n’y a pas de demande du réseau électrique dans cet intervalle.
Dans l’intervalle de (180-220) s, il y a une obligation du au cahier des charges qui consiste à fournir obligatoirement de l’électricité au réseau électrique pendant cette période. Alors la pile à combustible est mise à contribution pour compléter la puissance manquante de la production du parc éolien afin de fournir 5 MW au réseau électrique.

Table des matières

Introduction générale 
Chapitre I : Etat de l’art sur l’Hydrogène Energie 
I-1. Introduction
I-2. Production d’hydrogène
I-2.1. Par Hydrocarbures
I-2.2. Par la Biomasses
I-3. Stockage d’hydrogène
I-4. Transport d’hydrogène
I-5. Usages de l’hydrogène
I-7. Projets et recherches scientifiques sur hydrogène énergie
I-7.1. Recherches scientifiques
I-7.2. Projets Hydrogène énergie
I-8. Choix de la structure et des stratégies d’étude
I-8.1. Structure du schéma d’étude
I-8.2. Stratégie d’étude
I-9. Recherche d’outil de Modélisation adapté pour le système retenu
I-10. Analyse économique
I-10.1. Structure des systèmes énergétiques
I-10.1.1. Valoriser l’énergie électrique excédentaire d’un parc de production d’énergie électrique
I-10.1.2. Montrer la faisabilité du power to gas/power (PtG/P)
I-10.1.3. Les deux cas peuvent être considérés
I-10.2. Aspects d’étude économique
I-11. Conclusion
Chapitre II : Modélisation du système en utilisant la Représentation Energétique Macroscopique (REM) 
II-1. Introduction
II-2. Représentation énergétiques macroscopique (REM)
II-2.1. Les principes
II-2.1.1. Le principe d’action et de réaction
II-2.1.2. Le principe de causalité intégrale
II-2.2. Les éléments constitutifs
II-2.2.1. Eléments de source
II-2.2.2. Elément de conversion
II-2.2.3. Elément d’accumulation
II-2.2.4. Elément de couplage
II-2.3. Principes d’association des éléments
II-2.4. Commande par inversion du système
II-3. Modélisation du système Eolien-Hydrogène par la REM
II-3.1. Modélisation du système de conversion d’énergie éolienne par la REM
II-3.1.1. Déduction du schéma REM à partir de la synoptique
II-3.2. Modélisation du système de stockage d’énergie composé d’un électrolyseur et de la pile à combustible PEM
II-3.2.1. Electrolyseur
II-3.2.2. Pile à combustible
II-4. Conclusion
Chapitre III : Etude d’un système de conversion d’énergie en vue de la contribution du vecteur hydrogène 
III-1. Introduction
III-2. Etude des différents scénarios
III-2.1. Production de 100% électricité par le parc éolien
III-2.1.1. Description
III-2.1.2. Commande du système de conversion d’énergie éolienne
III-2.1.3. Résultats de simulation
III-2.2. Production de 100% hydrogène par électrolyseur PEM alimenté par l’éolienne uniquement
III-2.2.1. Description
III-2.2.2. Commande de la chaîne de production d’hydrogène
III-2.2.3. Résultats de simulation
III-2.3.2. Commande de la chaine
III-2.3.2. Résultats de simulation
III-2.4.2. Résultats de simulation
III-2-5-1. Description
III-2.5.2. Commande de la chaîne du scenario 5
III-2-6. Production d’hydrogène et fourniture d’électricité au réseau électrique en utilisant la production éolienne, la pile à combustible et le réseau EPEX SPOT avec condition sur la puissance et le prix d’électricité
III-2.6.1 Description
III-2.6.2. Résultats de simulation
III-3. Conclusion
1. Production de 100% électricité par le parc éolien
2. Production de 100% hydrogène par l’électrolyseur PEM alimenté par l’éolienne uniquement
3. Production de 100% hydrogène par l’électrolyseur PEM alimenté par le parc éolien et le réseau électrique sans condition sur le coût d’achat de l’électricité
4. Production de 100% hydrogène par l’électrolyseur PEM alimenté par le parc éolien et le réseau électrique avec condition sur le coût d’achat de l’électricité
5. Production d’hydrogène et fourniture d’électricité au réseau électrique en utilisant la production éolienne et la pile à combustible
6. Production d’hydrogène et Service réseau avec utilisation de la pile à combustible sous condition sur le tarif de l’électricité
Chapitre IV-Analyse comparative des scenarios 
IV-1. Introduction
IV-2. Analyse comparative des scenarios
IV-2.1. Estimation du LCOE pour l’éolienne
IV-2.2. Estimation du LCOE pour l’éolienne + l’électrolyseur
IV-2.3. Estimation du LCOE sur l’éolienne + EPEX SPOT (sans condition sur le prix) pour l’électrolyseur à puissance nominale
IV-2.4. Estimation du LCOE sur l’éolienne + EPEX SPOT (prix <4 ct €/kWh) pour l’électrolyseur à puissance nominale
IV-2.5. Estimation du LCOE de la production d’énergie combinée d’électricité et d’hydrogène pour
IV-2.6. Estimation du LCOE de la production combinée des vecteurs énergétique électricité et hydrogène pour répondre à une demande du réseau électrique et produire de l’hydrogène avec condition sur le tarif
IV-3. Conclusion

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