12 La lettre de l'I­tésé ­ Numéro 25 ­ Eté 2015

Eclairages

Systèmes hydrogène et systèmes électriques :quelles interactions ?par Benjamin Guinot & Chrisitine MANSILLADRT­Liten / CEA I­tésé

Les systèmes hydrogène ont démontré un potentiel réel pour faciliter la transition vers unsystème énergétique bas carbone, avec la technologie d’électrolyse au cœur du processus.À court terme ils peuvent contribuer significativement à la stabilité du système électriqueà travers les services système. À moyen terme, leur rôle s’amplifiera à travers ces serviceset un potentiel pour le stockage massif.

La transition énergétique vers un système bas carbonepasse notamment par le développement massifd’énergies renouvelables (EnR) non programmables tellesque l’éolien et le solaire. Pour relever ce défi, le systèmeélectrique, contraint de réaliser à chaque instantl’équilibre entre injections et soutirages, dispose deplusieurs moyens. Certains agissent sur l’offre, certainssur la demande, et d’autres tels que le stockage ou lesinterconnexions jouent sur ces deux leviers.Les caractéristiques techniques d’un système deproduction d’hydrogène par électrolyse permettent unajustement rapide de la puissance électrique consommée(i.e. passage à la puissance nominale en quelquesminutes, voire quelques secondes) : la productiond’hydrogène est ainsi un nouvel outil potentiel pourcontribuer à la stabilité du système électrique. Nousproposons ici de brosser un tableau rapide des servicespossibles et d’en identifier les bénéfices tant pour leproducteur d’hydrogène que pour le système électrique.La flexibilité d’un système électrolyseur estvalorisable dans de nombreuses situationsLes systèmes hydrogène peuvent s’envisager de façoncentralisée ou décentralisée. Décentralisés, ils peuvent êtreinstallés à proximité d’un site de production d’énergierenouvelable ou près d’un site de consommation. Grâce àleur flexibilité, ils peuvent ajuster leur consommationélectrique pour lisser la production EnR ou la demanded’un site (cf. Figures 1 et 2).Des services plus globaux d’équilibrage entre offre etdemande pourraient être rendus sans requérir laproximité entre électrolyseurs et sites de consommationou production, dès lors que les réseaux autoriseraient leséchanges qui en découleraient (transport d’énergieélectrique des sites de production aux sites deconsommations).Toujours avec un modèle centralisé, des électrolyseursconnectés au système électrique peuvent égalementrendre des services de réglage : réglage de fréquenceprimaire ou secondaire (les services système), ou réglagetertiaire pour les échéances plus longues (le mécanismed’ajustement).

Figure 1 : Ajustement de la consommation électrique del’électrolyseur (ELY) à la production EnR d’un site connecté auréseau. Bénéfices attendus du lissage de la production EnR :réduction de l’impact de l’intermittence, réduction des besoinsde prévision, réduction des besoins en capacité detransmission, intégration « massive » d’EnR

Figure 2 : Ajustement de la consommation électrique del’électrolyseur (ELY) à la demande électrique d’un siteconnecté au réseau. Bénéfices attendus du lissage de lademande d’un site : réduction de l’impact de la variabilité dela consommation, réduction des besoins de prévision deconsommation

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Eclairages

La participation des systèmes hydrogène auxservices système et au mécanisme d’ajustement : desbénéfices à portée de mainTechniquement, les systèmes hydrogène sont capables decontribuer à la stabilité du système électrique par leurparticipation aux services système et au mécanismed’ajustement. Il reste que leur participation ne seraeffective que si elle est assortie d’un bénéfice économiquepour le producteur d’hydrogène.Le projet REVERSE et le projet VItESSE 2 ont examiné cesquestions [1]­[2] et il ressort que la participation au réglagede fréquence primaire est actuellement encore trop peuattractive [1]. Cependant l’écart n’est «que» d’un facteurdeux, ce qui ne semble pas insurmontable à terme, étantdonnés les besoins croissants d’équilibrage qui accentuentla valeur de ce service, associé à la perspective deréduction des coûts des systèmes hydrogène.En ce qui concerne le mécanisme d’ajustement, l’intérêtéconomique existe déjà : participer à ce mécanisme peutcontribuer à réduire les coûts de production del’hydrogène de l’ordre de 10% [2]. Néanmoins il estindispensable de souligner que dans le cadre d’undéploiement massif, les systèmes hydrogène serontconfrontés à la concurrence d’autres demandes flexibles(e.g. stockage, véhicule électrique), ce qui nécessitera detrouver des complémentarités entre les différentessolutions.Les systèmes hydrogène : un vecteur potentield’intégration massive des EnRVu du système électrique, un système de productiond’hydrogène par électrolyse est une demande flexibled’électricité. De telles demandes rendent possible ledéveloppement de mix électriques extrêmementvolontaristes en termes environnementaux, en utilisantmieux les capacités de production électrique bas carbone :qu’elles soient programmables comme l’énergie nucléaire,ou non, comme l’énergie éolienne ou photovoltaïque. Eneffet, la flexibilité de la demande permet d’éviter laréduction du taux de charge des centrales programmablesainsi que –en partie au moins– l’écrêtement des énergiesrenouvelables non programmables. La mise en œuvred’interconnexions nombreuses permettrait qui plus estd’augmenter les synergies entre pays européens.De premiers résultats ont montré que le développementde tels mix semble possible, avec un coût de productiond’hydrogène potentiellement compétitif [3]. Il reste que, làencore, la concurrence avec les autres types de demandeflexible est à examiner en détails pour préciser lesopportunités réelles.

Un usage de l’hydrogène qui devientéconomiquement viable pour des applications « siteisolé »Loin de s’opposer aux batteries, l’hydrogène commemoyen de stockage pour sécuriser l’approvisionnementélectrique de sites dits «isolés» apparait trèscomplémentaire. Le stockage via l’hydrogène est plutôtutilisé avec un rythme saisonnier, quand les batteriesassurent les variations journalières de la demande.Il apparait que, couplée à une installation photovoltaïque,la « chaine hydrogène » constituée d’un électrolyseur,d’un stockage et d’une pile à combustible, ne représentequ’une part modeste du coût de production del’électricité, mais qu’elle réduit très significativement ledimensionnement du banc de batteries. Ainsi, dans le casde l’étude menée par le projet REVERSE, le surcoût del’électricité produite par rapport à l’alternative diesel,pour un coût du diesel à 2€/l, se trouve réduit de moitié,ne représentant plus que 20% grâce à la complémentaritédes deux types de stockage. De plus, pour un coût de2,5€/l, la solution hybride hydrogène­batteries devientcompétitive par rapport à l’alternative diesel [4].A moyen terme : le potentiel de l’électrolyse hautetempératureL’électrolyse haute température est un procédéd’électrolyse de la vapeur d’eau, opérant typiquement àdes températures de 700 à 800°C. Ce procédé permet desgains en rendement, notamment via l’apport direct sousforme de chaleur d’une partie de l’énergie. Cette chaleurest fournie grâce à des systèmes d’échangeurs thermiquesentre flux entrant et sortant de l’électrolyseur, et nerequiert donc pas de source thermique à très hautetempérature.Le stack d’électrolyse haute température présente unpotentiel supplémentaire par rapport aux autres typesd’électrolyse. En effet, il permet de faire de la co­électrolyse de dioxyde de carbone et d’eau, produisant dugaz de synthèse valorisable de multiples façons. Parailleurs, le même stack d’électrolyse haute températurepeut être exploité en mode réversible, permettant avec unseul objet d’assurer soit un service de productiond’hydrogène (mode électrolyse), soit une productiond’électricité (mode pile). Ceci permet d’imaginer denouveaux types de système : un électrolyseur hautetempérature couplé à une source électrique bas carbonepourrait devenir un procédé de production d’hydrogènepour des applications produit chimique ou vecteurénergétique de l’hydrogène, doublé d’un procédé deproduction d’électricité en période de tension du systèmeélectrique. Ainsi, un potentiel technique et économiquepour cette technologie est mis en évidence, mais il reste àle démontrer en conditions réelles compte tenu de lamoindre maturité de cette technologie aujourd’hui.

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EclairagesUne démarche prospective tenant compte du servicerendu d’un point de vue global pourra apporter deséclairages sur l’économie de ces systèmes.Au total, les systèmes hydrogène présentent ainsi unpotentiel réel pour faciliter la transition vers un systèmeénergétique bas carbone, avec la technologie d’électrolyse(haute température) au cœur du processus. Pour affirmerce potentiel, la R&D doit être maintenue et amplifiée afinde lever les incertitudes techniques et économiques quidemeurent encore.

Références[1] B. Guinot, F. Montignac, B. Champel, and D. Vannucci,“Profitability of an electrolysis based hydrogen production plantproviding grid balancing services”, International Journal ofHydrogen Energy, vol. 40, no. 29, pp. 8778–8787, Aug. 2015.[2] C. Mansilla, J. Louyrette, S. Albou, G. Barbieri, N. Collignon,C. Bourasseau, B. Salasc, S. Valentin, S. Dautremont, J. Martin,and F. Thais, “Electric system management through hydrogenproduction – a market driven approach in the French context”,International Journal of Hydrogen Energy, vol. 37, no. 15, pp.10986­10991, Aug. 2012.[3] P. Caumon, M. Lopez­Botet Zulueta, J. Louyrette, S. Albou,C. Bourasseau, and C. Mansilla, “Flexible hydrogen productionimplementation in the French power system: expected impactsat the French and European levels”, Energy, vol. 81, pp. 556­562,March 2015.[4] B. Guinot, B. Champel, F. Montignac, E. Lemaire, D.Vannucci, S. Sailler, and Y. Bultel, “Techno­economic study of aPV­hydrogen­battery hybrid system for off­grid power supply:Impact of performances’ ageing on optimal system sizing andcompetitiveness”, International Journal of Hydrogen Energy,vol. 40, no. 1, pp. 623–632, Jan. 2015.