Série Transition énergétique – Quel avenir pour l’hydrogène et les piles à combustible?

Photo Hélène Pierre / Responsable de marché Villes et territoires au Centre recherche et innovation gaz et énergies nouvelles, direction Recherche et technologies, GDF Suez ; trésorière de l'Association française pour l'hydrogène et les piles à combustible (Afhypac) / March 23rd, 2015

Transformer l'électricité en hydrogène pour pouvoir la stocker puis l'utiliser sous forme de gaz ou de carburant ou en la transformant à nouveau en énergie et en chaleur grâce à une pile à combustible, voilà les promesses de la filière. Les avantages sont nombreux: stockage de l'électricité produite par les énergies renouvelables, mélange avec du gaz naturel, alimentation des véhicules électriques… mais les défis à relever le sont aussi pour installer durablement l'hydrogène dans le paysage énergétique. Des actions sont en cours pour relever ces défis. Tour d'horizon!

ParisTech Review – Dans le cadre actuel de l’évolution du système énergétique, il est souvent question de la filière Hydrogène et piles à combustible. De quoi s’agit-il?

Hélène PierreL’hydrogène est un composant qui est utilisé par l’industrie depuis des décennies. Recombiné avec de l’oxygène, il produit de l’électricité, de la chaleur et… de l’eau ! C’est la technologie de la pile à combustible qui permet cette recombinaison. Dans l’autre sens, la technique de l’électrolyse de l’eau à l’aide d’un courant électrique produit de l’hydrogène. Autrement dit, la filière hydrogène et piles à combustible propose aujourd’hui une solution pour la transformation et le stockage des surcapacités d’énergies renouvelables, qui fonctionnent de façon intermittente comme l’éolien ou le solaire. C’est pourquoi l’hydrogène est considéré avec beaucoup d’intérêt à l’heure de la transition énergétique.

Quels sont les avantages de cette filière?

Ils sont nombreux. Tout d’abord, il est possible de transformer en hydrogène les énergies renouvelables produites et non utilisées, puis de stocker cet hydrogène. Autrement dit, on peut stocker de l’électricité, qui sans cela aurait été perdue, et ce sur une très longue période. Ensuite, il n’est pas nécessaire de transformer à nouveau l’hydrogène en électricité, mais on peut le valoriser sous forme de carburant ou source de chauffage, seul ou combiné à d’autres gaz comme le gaz naturel par exemple.

Enfin, l’hydrogène favorise une approche territoriale de la production d’énergie. Notamment avec les énergies renouvelables, les productions sont de plus en plus décentralisées. Il est donc important de pouvoir les valoriser à l’échelle du territoire et de rapprocher ainsi la production de la consommation.

Si l’hydrogène est utilisé par l’industrie depuis longtemps, à quoi doit-on le regain d’intérêt actuel?

La transformation par électrolyse existe depuis longtemps, notamment avec les technologies alcalines. Mais les technologies en jeu ont fortement évolué, surtout celles pour la production d’hydrogène avec, par exemple, l’apparition sur le marché de l’électrolyse à membrane dite PEM pour Proton Exchange Membrane. D’importants travaux de recherche et développement dans ce domaine accélèrent l’évolution des technologies et contribuent à diminuer sensiblement le coût des équipements. L’objectif est de disposer d’électrolyseurs d’une très grande flexibilité, car pour pouvoir valoriser instantanément les surcapacités d’énergies renouvelables, il faut que ces équipements puissent être démarrés et arrêtés très simplement mais aussi qu’ils fonctionnent parfaitement à pleine charge ou à basse charge. La flexibilité est un facteur important pour le marché des énergies renouvelables car elle permet la valorisation des énergies produites et non consommées et, de fait, réduit les pertes. Ces avancées en matière d’électrolyse sont très prometteuses pour l’avenir car les technologies sont de plus en plus performantes tant techniquement qu’économiquement. D’où le regain d’intérêt pour la filière hydrogène et piles à combustibles !

pile-a-combustible-genepac

Pile à combustible pour automobile développée en 2006 par le CEA (©P. Stroppa/CEA)

Quelles sont les principales utilisations de l’hydrogène?

Outre le stockage de l’électricité, l’hydrogène peut être valorisé en étant mélangé à du gaz naturel. Nous participons, par exemple, au projet GRHYD, à Dunkerque, dont l’objectif est d’explorer la possibilité d’injecter de l’hydrogène dans les réseaux de gaz naturel. Ce projet va apporter un nouveau vecteur de valorisation de l’électricité produite par les énergies renouvelables. Son but est d’évaluer la pertinence technique, économique et environnementale de ce que l’on appelle le « power to gas », c’est-à-dire la transformation de l’énergie électrique en gaz.

GHRYD comporte deux volets. D’une part, nous allons étudier la faisabilité d’injecter de l’hydrogène, dans des proportions variables jusqu’à 20%, dans le réseau d’alimentation en gaz d’un nouveau quartier de 200 logements sans modifier les équipements collectifs ou des particuliers. Le but est d’exploiter les excédents des productions d’énergies renouvelables, notamment en provenance d’éoliennes, de les stocker sous forme d’hydrogène et de les injecter dans le réseau en fonction des besoins. Nous allons pouvoir étudier le comportement de ce mélange dans le réseau, pour alimenter une chaudière, et surtout évaluer les variations possibles. L’objectif est de pouvoir injecter de l’hydrogène dans des pourcentages variables en fonction de sa disponibilité, de façon à ne pas être obligés de produire de l’hydrogène pour alimenter le réseau. Nous cherchons donc à mettre au point un système flexible à un coût pertinent.

D’autre part, le projet GRHYD va permettre de tester un carburant composé de Gaz naturel pour véhicules (GNV) et d’hydrogène dans une proportion de 6% puis de 20% maximum. A terme, une cinquantaine de bus fonctionneront avec ce carburant dans l’agglomération de Dunkerque. Là encore, il s’agit d’étudier le comportement des véhicules tout en valorisant les sources d’énergies renouvelables. L’avantage est que l’hydrogène contribue à « verdir » le carburant. En effet, s’il a été produit à partir d’énergies vertes, il rajoute une part de renouvelable, ce qui diminue les émissions de CO2. De plus, constat qui a été fait lors d’un précédent projet à Dunkerque entre 2004 et 2009, l’hydrogène améliore le rendement. Et ce sans nécessiter de modifications des moteurs GNV. Autrement dit, c’est une solution intéressante sur le plan écologique mais aussi sur le plan économique.

Il est donc possible d’imaginer des véhicules roulant avec un mélange gaz – hydrogène ou avec seulement de l’hydrogène ?

Oui, beaucoup de pays mènent des travaux de développement dans ce sens. La pile à combustible existe dans différentes puissances, qui vont de l’application résidentielle chez les particuliers à des systèmes industriels, dans une gamme de puissance de 1 kW à 1 MW. Elle est donc tout à fait utilisable dans un véhicule équipé d’un réservoir d’hydrogène. En transformant l’hydrogène en électricité, elle alimente le moteur électrique du véhicule. On estime aujourd’hui qu’une pile à combustible fournit une autonomie de 300 à 500 km, c’est donc beaucoup plus qu’un véhicule électrique classique. De plus, le moteur électrique à proprement parler ne nécessite pas de modifications importantes. Par ailleurs, il y a beaucoup de travaux de R&D en cours sur la pile et le stockage embarqués afin de réduire l’encombrement du système pile à combustible à l’intérieur des véhicules, d’optimiser l’autonomie et de diminuer le coût. Des premières séries de véhicules commencent à être commercialisées avec succès. Toyota, par exemple, a commencé cette année à produire en série et à commercialiser son modèle Mirai.

On développe également des piles dites « stationnaires », qui sont installées chez les particuliers et qui alimentent le logement à la fois en électricité et en chaleur, c’est la co-génération. Ces piles peuvent alimenter également un véhicule électrique. Au Japon, 100 000 piles stationnaires ont d’ores et déjà été installées et fonctionnent directement sur le réseau gaz naturel. Preuve que la technologie est en train de se développer et de s’installer de façon rapide !

Cela suppose le déploiement d’une infrastructure de recharge et de piles stationnaires dans les stations services?

Oui et on est aujourd’hui à cette charnière temporelle. Il va falloir construire une infrastructure de recharge et des stations « hydrogène ». Une étude menée en Allemagne, en Angleterre et en France notamment a permis d’établir la feuille de route de ce déploiement pour permettre le développement de la mobilité hydrogène dans les vingt prochaines années. En France, le consortium d’acteurs qui travaillent sur ce sujet (H2 Mobilité France) a opté pour une approche de développement par grappe. Il s’agit de commencer par l’installation de stations locales ad hoc dédiées à des flottes captives de véhicules hydrogènes, en entreprise ou dans les collectivités. Ces véhicules parcourent généralement de petites distances et rentrent le soir, ils sont donc parfaitement adaptés. Ensuite, il s’agira de relier progressivement ces lieux pour mailler le territoire avec des infrastructures hydrogène.

Il est aussi question de cogénération…

La pile à combustible fournit électricité et chaleur et son rendement est élevé, surtout en électricité. Les piles stationnaires, installées en résidentiel et alimentées en gaz naturel par le réseau existant, fournissent déjà aux particuliers énergie et chauffage. Pour les villes, les réseaux de distribution de gaz ou de mélange gaz – hydrogène seront de vrais outils d’efficacité énergétique. C’est ce que doit démontrer le projet GHRYD.

Quels sont les défis à relever par cette filière?

Les aspects réglementaires sont fondamentaux, car ils garantissent la sécurité en utilisation, quels que soient les usages. Pour l’instant, l’hydrogène a été utilisé presque exclusivement par l’industrie. Les réglementations ont donc été faites pour les industriels, mais elles ne sont pas adaptées à l’utilisation d’une pile à combustible dans un téléphone portable ou dans un véhicule. L’utilisation par le grand public nécessite l’adaptation de cette réglementation tant pour le stationnaire que pour la mobilité. Cependant, les règles doivent être élaborées en concertation avec les acteurs afin de trouver les bons équilibres et ne pas bloquer le développement de la filière par une trop grande rigidité ou complexité. C’est pourquoi nous travaillons entre autres avec l’Ineris, l’Institut national de l’environnement industriel et des risques.

Un autre défi est celui des coûts, qui sont aujourd’hui nettement supérieurs à ceux des systèmes existants. L’enjeu des travaux de R&D consiste aussi à optimiser ces systèmes pour améliorer leur rendement et diminuer leurs coûts, autrement dit pour atteindre un meilleur rapport prix / performances. L’industrialisation des électrolyseurs et leur production en grands volumes contribueront également à réduire le coût des équipements, coût qui diminuera de plus en plus rapidement. Enfin, le coût de production de l’hydrogène est lié au coût de l’électricité. Gageons qu’à terme, l’introduction massive d’électricité d’origine renouvelable fera baisser ce coût de façon significative.

Enfin, l’acceptation sociétale par le grand public constitue un vrai défi ! Il y a beaucoup d’images de risques associées à l’hydrogène. Améliorer la perception par les usagers est un aspect majeur de la percée de l’hydrogène sur les marchés.

La filière hydrogène et piles à combustible a donc dépassé le stade de la recherche fondamentale selon vous?

Oui ! On n’est plus dans la recherche amont, même si des travaux de R&D continuent car ils sont importants. On assiste au déploiement des premiers développements comme, par exemple, au Japon, mais également en Europe. L’hydrogène est mature sur certains marchés, d’autres sont encore au stade de la recherche appliquée et des premiers prototypes. Un domaine très avancé est, par exemple, celui des antennes relais pour les télécoms. Ces antennes sont parfois très isolées. On les équipe désormais de systèmes de secours électrique à base de pile à combustible, qui sont compétitifs par rapport aux traditionnels groupes électrogènes.

Toutefois, il reste à créer le modèle économique, car le prix d’une pile à combustible ne sera pas celui d’une chaudière à gaz ! Il faut encore mener des travaux pour améliorer la compétitivité des équipements. Il faudra probablement l’implication et des actions gouvernementales pour que les coûts trouvent leur niveau. La convergence hydrogène et gaz naturel permettra à l’hydrogène de trouver sa place. Les volumes de plus en plus importants et la volonté des territoires de décentraliser la production d’énergie joueront également en faveur de la filière.

More on paristech review

By the author

  • Série Transition énergétique – Quel avenir pour l’hydrogène et les piles à combustible?on March 23rd, 2015

www.paristechreview.com

This content is licensed under a Creative Commons Attribution 3.0 License
You are free to share, copy, distribute and transmit this content

Logo creative commons

5 quai Voltaire 75007 Paris, France - Email : contact@paristechreview.com / Landline : +33 1 44 50 32 89