L’Hydrogène : le meilleur allié des énergies renouvelables ?

Ça y est ! Nous commençons à voir apparaître des panneaux solaires sur les toits de nos  hangars  et des éoliennes qui se dressent au milieu de nos plaines en culture. Mais ces moyens de production d’énergie verte qui nous promettaient un monde énergétiquement propre semblent  freinés par leur caractère intermittent. Pourquoi et comment pallier à cette problématique ?

La promesse en péril des énergies vertes

Les méthodes de production d’énergies renouvelables sont très prometteuses puisqu’elles permettent de nous alimenter en électricité propre. Cependant, leur production dépend des conditions climatiques.

Les plages de production des énergies vertes ne correspondent pas aux principaux pics de consommation électrique. Par exemple, le pic de consommation du soir n’est pas compatible avec la production d’énergie solaire, puisque c’est la période de la journée où le soleil disparaît. Cela est entièrement dû au caractère intermittent des énergies renouvelables qui est le premier obstacle à surmonter pour un monde énergétiquement propre.

Pour permettre aux énergies renouvelables de subvenir à nos besoins en énergie et à remplacer les types de productions actuels, nous devons réussir à stocker sa production électrique excédentaire pour lui permettre de la redistribuer lors des pics de consommation.

Le stockage de l’énergie est le principal allié des énergies vertes. La complémentarité de la production d’énergie intermittente et du stockage permettrait de voir ce caractère instable laisser place à la stabilité et à la disponibilité.

Mais quels sont les moyens de stockage d’énergie de grande envergure existants aujourd’hui ?

Des solutions de stockage encore absentes

Les solutions de stockage performantes sont rares. Et celles qui existent sont à des coûts trop élevés ou à des rendements trop faibles.

Seuls les barrages hydrauliques et les STEP (Stations de Transfert d’Énergie par Pompage), qui représentent 99% des capacités de stockage installées dans le monde (12 GW installées), sont à la fois efficaces et rentables.

Les STEP fonctionnent à l’aide de deux bassins séparés par un dénivelé important. Lorsque la demande en électricité est basse, le surplus d’énergie disponible  est utilisé pour actionner une pompe. Cette pompe permet de transférer de l’eau du bassin inférieur vers le bassin supérieur. Lorsque la demande en électricité est forte, cette énergie peut être restituée grâce à la force gravitationnelle d’un lâcher d’eau du bassin supérieur vers le bassin inférieur. L’eau entraîne une turbine qui est couplée à un alternateur générant de l’électricité.

Les barrages hydrauliques permettent grâce à la retenue de l’eau en amont d’alimenter des centrales hydrauliques en aval. Grace au dénivelé, l’eau entraîne une turbine associée à un alternateur qui génère de l’électricité. La puissance de la centrale dépend de la hauteur de la chute et du débit de l’eau. Chaque centrale se met en marche selon un programme pré défini en fonction des besoins d’électricité. Les barrages hydrauliques sont donc des moyens de stockage de l’énergie naturelle générée par la chute de l’eau.

Cependant, ces moyens de stockage sont limités à la géographie d’un pays, à ses fleuves et à son relief. Le stockage de l’énergie étant un des leviers majeurs de la transition énergétique dans les années à venir, il ne peut pas se reposer uniquement sur ces deux moyens de stockage de grande envergure.

Existe-t-il donc un moyen alternatif ?

C’est sur ce marché que l’hydrogène et ses capacités énergétiques gargantuesques viennent se positionner et donner des réponses encourageantes pour l’avenir.

L’hydrogène au secours des énergies renouvelables ?

L’hydrogène est devenu ces dernières années un des éléments de notre planète dans lequel les scientifiques actuels placent leur plus grand espoir. Avec une densité énergétique de 33 kWh/kg, l’hydrogène est l’élément le plus prometteur dans le domaine de l’énergie. A poids égal, la combustion du dihydrogène génère 3 fois plus d’énergie que l’essence.

En plus d’avoir un rendement énergétique important, la combustion de dihydrogène n’émet pas de gaz carbonique, ce qui rend son utilisation complètement neutre par rapport à l’environnement. Cet élément est très présent sur notre planète que ce soit simplement dans l’eau (H₂O), dans la biomasse ou encore dans les différents hydrocarbures carbonés tels que le pétrole, le gaz naturel, etc.

Le principe du stockage de l’électricité par vecteur hydrogène se base sur l’électrolyse de l’eau (H₂O), un des éléments présent massivement sur notre planète. C’est grâce à cette transformation chimique qu’à partir de l’eau (H₂O) et d’électricité, nous pouvons obtenir de l’oxygène (O) et du dihydrogène (H₂) sans émission de carbone.

Si c’est une nouvelle méthode de production d’énergie propre qui émerge, c’est également une méthode de stockage d’électricité qui rentre en jeu.

Comment ?

En associant ce mode de production à une pile à combustible et à un système de stockage d’hydrogène et d’oxygène, on pourrait transformer l’électricité en hydrogène pour la stocker !

A l’inverse de l’électrolyseur, la pile à combustible associe le dihydrogène à l’oxygène pour créer de l’électricité et de l’eau. C’est une technologie qui commence à connaitre son heure de gloire notamment grâce aux voitures fonctionnant à l’hydrogène qui en sont équipées. Nous aurions donc l’électrolyseur qui stockerait l’électricité sous forme d’hydrogène et la pile à combustible qui générerait au moment voulu de l’électricité avec l’hydrogène stocké.

Certains modèles de « batterie hydrogène » existent déjà comme l’Electroself ou encore la station de stockage d’hydrogène solide de McPhy en passant par la Greenergy Box d’AREVA.

Malheureusement, il existe encore des freins au développement de ces nouvelles technologies autour des rendements qui restent faible et les coûts qui sont élevés.

La plateforme de démonstration MYRTE de la Greenergy Box d’AREVA

La plateforme MYRTE (Mission hydrogène renouvelable pour l’intégration au réseau électrique) vise à démontrer la faisabilité d’un stockage d’énergie photovoltaïque via l’hydrogène afin d’écrêter les pics de production des panneaux solaires.

Ce projet est composé d’une centrale photovoltaïque de 560 kWc connectée à une chaîne hydrogène composée d’un électrolyseur de 10 Nm³/h, de cuves de stockage d’hydrogène et d’oxygène respectivement de 1 400 Nm_³ et 700 Nm³ et d’une pile à combustible de 100 kW.

Cette « batterie à hydrogène » permet donc de lisser la production des panneaux photovoltaïques en alimentant directement le réseau électrique.

C’est une étape cruciale pour la filiale de stockage d’énergie d’AREVA qui lui permet de valider sa technologie à l’échelle pilote et d’initier l’étape suivante d’industrialisation.

L’exploitation de l’hydrogène : une ombre au tableau ?

Les principaux moyens de production de l’hydrogène viennent noircir la page de cet élément énergétiquement prometteur car ils utilisent des énergies fossiles pour extraire de l’hydrogène et émettent donc du gaz carbonique.

Le procédé le plus courant est le vaporeformage du gaz naturel qui consiste au reformage (conversion de molécules à l’aide de réactions chimiques) du gaz naturel par de la vapeur d’eau et de la chaleur. Les atomes carbonés du méthane (CH₄) se dissocient, après deux réactions successives, ils se reforment séparément pour obtenir, d’un côté, du dihydrogène (H₂) et, de l’autre, du dioxyde de carbone (CO₂).

Un autre procédé est la gazéification du charbon de bois qui composé essentiellement de carbone et d’eau. La combustion du bois à très haute température libère des gaz qui se reforment pour obtenir, d’un côté, du dihydrogène (H₂) et, de l’autre, du monoxyde de carbone (CO).

Le vaporeformage et la gazéification du charbon de bois représentent aujourd’hui à eux seuls 95% de la production d’hydrogène.

L’électrolyse de l’eau associée aux énergies renouvelables pourraient peut-être dans l’avenir devenir un concurrent direct à ces moyens de production polluants. Peut-on s’imaginer conduire des voiture roulant avec de l’hydrogène produit par les panneaux solaires de sa maison ?

Le souci réside dans la rentabilité de ces moyens de production. Le vaporeformage du méthane coûte environ 1,5 €/kg à la sortie de l’usine alors que l’électrolyse de l’eau coûte 4 fois plus cher sans compter l’impact du prix de l’électricité.

Couplé aux énergies renouvelables, le procédé de stockage d’énergie grâce à l’hydrogène à l’avantage d’être complètement propre. L’association d’une « batterie à hydrogène » avec des énergies renouvelables permettra de mieux gérer les pics de consommation, d’atténuer les variations de production et de limiter les surtensions dans un contexte de faible consommation. Enfin, ce moyen de stockage offre également une solution de production autonome qui pourrait peut-être dans l’avenir alimenter nos voitures en énergie ?