Les applications stationnaires

III.7.2.a Installations développées ou en cours de réalisation

On recense à l’heure actuelle de nombreux projets de réalisation de systèmes électriques, intégrant entre autres, une source renouvelable et un stockage d’énergie via l’hydrogène. La plupart de ces projets visent à démontrer la viabilité de ce type de systèmes.

Dans un premier temps, la mise en place de systèmes réels à diverses échelles de puissance permet la récupération de données dont l’analyse conduira à qualifier et quantifier divers paramètres (durée de vie et optimisation du fonctionnement des composants, rendements, etc).

A moyen terme, ces exemples d’installations réelles fourniront aux décideurs des arguments concrets pour envisager l’utilisation de l’hydrogène comme moyen de stockage d’énergie.

La thèse de S. Busquet [III-4] présente des installations réelles réalisées dans le cadre de projets de recherche et montre l’étendue des efforts engagés pour démontrer la faisabilité de tels systèmes. On peut ajouter quelques autres réalisations à cet inventaire.

1. Installation de petite puissance : relais de télécommunication (150 W) en Espagne [III-35] (Projet FIRST).

• champ photovoltaïque : 1,5 kWcrête, de technologie CIS ; fabricant : WÜRTH ;

• électrolyseur : 1 kW, de technologie PEM, pression de fonctionnement : 30 bar ; développé par Fraunhofer ISE ;

• pile à combustible : 300 W, de technologie PEM fabriquée par NUVERA Fuel Cells Europe, système intégré par Air Liquide ;

• stockage d’hydrogène : hydrures métalliques, capacité : 70 Nm³ (≅231 kWh / PCS de l’hydrogène).

Ce projet, qui vise à une utilisation saisonnière du stockage d’hydrogène, est en cours de réalisation.

2. Installation de moyenne puissance : habitat individuel en site isolé (4 kW), Projet PV-FC-SYS, CEP (Sophia-Antipolis, France) [III-4].

• champ photovoltaïque de 36 m² (3,6 kWcrête) ;

• électrolyseur de technologie alcaline, zéro gap (3,6 kW) ;

• pile à combustible de type PEM (4 kW) ;

• stockage de gaz : hydrogène (4 Nm³) et oxygène (2 Nm³) à 10 bar.

Le projet européen PV-FC-SYS (1999-2002) a pour but d’étudier la faisabilité et d’expérimenter un système photovoltaïque/électrolyseur/pile à combustible pour la production d’énergie électrique en sites isolés. Ce banc a été dimensionné pour répondre à une charge de type habitat individuel d’environ 4 kW.

3. Installation de moyenne puissance : charge de 5 kW au Québec [III-19].

L’institut de recherche de l’hydrogène, de l’université du Québec à Trois-Rivières, a réalisé un système hybride éolien-PV muni d’un stockage d’hydrogène, avec les caractéristiques suivantes :

• panneau solaire de 1 kWcrête ;

• éolienne de 10 kW ;

• électrolyseur : technologie alcaline de 5 kW avec système de compression ;

• stockage d’hydrogène sous forme comprimée : volume de 3,8 m³ sous 10 bar ;

• stockage batterie : 42,24 kWh installés.

Le rendement global de l’électrolyseur et du système de compression est de 60 %, le rendement de l’électrolyseur seul étant de 65 % [III-19]. Le rendement maximum du système pile à combustible est de 45 %. La faisabilité technique d’un tel système a donc été prouvée et la phase d’expérimentation a permis d’obtenir des résultats prometteurs d’un point de vue technique.

Figure III-14 : schéma et dimensionnement de l’installation de l’Hydrogen Research Institute au Québec [III-19].

III.7.2.b La valorisation de l’oxygène produit par électrolyse

L’oxygène qui est également produit lors de l’électrolyse de l’eau peut être stocké et réutilisé dans des procédés à vocation énergétique (oxyreformage) ou autre (utilisation de l’oxygène en milieu médical, traitement de l’eau pour la rendre potable, etc.).

L’utilisation de cet oxygène dans une pile à combustible reste contraignante dans le cadre d’applications stationnaires ‘classiques’ puisqu’une grande pureté des gaz alimentant la pile est nécessaire à son bon fonctionnement (voir thèse de S. Busquet, [III-4]). Néanmoins les applications spatiales et sous-marines (milieux anaérobies) constituent un cadre favorable à l’utilisation de l’oxygène produit par électrolyse.

III.7.2.c Le cas des fortes puissances

Si l’on se réfère à un système de stockage d’énergie constitué d’un électrolyseur, d’une pile à combustible et d’un stockage de gaz, les applications très forte puissance (> 10 MW) semblent a priori difficilement envisageables à court et moyen terme. Les freins technologiques et socio-économiques sont encore nombreux. Il est vraisemblable de penser qu’une utilisation décentralisée de l’hydrogène électrolytique est plus appropriée pour de telles applications, qui dépendent souvent de l’infrastructure locale (géographie et activité industrielle du lieu d’implantation). La distribution et l’acheminement de l’hydrogène jusqu’à l’utilisateur final prend alors une part prépondérante dans la problématique générale.

Prenons le cas d’un site industriel avec, à proximité, un site pétrochimique, une zone urbaine et une ferme éolienne : la production in situ de l’hydrogène serait assurée par une usine de production électrolytique alimentée par de l’électricité produite à partir de la source renouvelable. La création d’un réseau d’hydrogène permettrait la distribution de gaz à différentes fins :

• pour le site industriel : désulfuration des hydrocarbures par exemple ;

• pour un utilisateur individuel : alimentation d’une pile à combustible pour produire électricité et chaleur ;

• pour être stocké dans le but d’une utilisation ultérieure (lissage de charge en période d’heures pleines).

Cette utilisation combinée de l’hydrogène électrolytique doit être envisagée dans un cadre bien plus général et dépasse la problématique du stockage qui concerne ce travail de thèse.

III.8 Conclusion

Nous avons montré, dans les paragraphes précédents, la large diversité d’utilisation de l’hydrogène. La problématique du stockage d’énergie dans les systèmes stationnaires (présentée au paragraphe II.3) couplée à la nature intermittente des sources renouvelables d’énergie ainsi qu’aux divers aspects environnementaux réglementant la production d’énergie, permet d’envisager l’utilisation de l’hydrogène comme moyen de stockage d’énergie.

L’USEH (unité de stockage d’énergie via l’hydrogène) composée d’un électrolyseur, d’un stockage de gaz et d’une pile à combustible, pourra bénéficier des avancées faites au niveau des composants dans des domaines ciblés (niches économiques). Notamment, les nombreuses activités de recherche et de développement menées dans le domaine du transport favoriseront l’essor de la technologie de la pile à combustible et du stockage d’hydrogène. L’électrolyse en ce qui concerne la technologie alcaline, la plus mature, devra bénéficier avant tout d’améliorations en termes de coûts avant de voir son utilisation étendue à une plus large échelle. Enfin le stockage de l’hydrogène devra nécessairement faire l’objet de progrès technologiques majeurs en terme de performances (principalement au niveau des densités de stockage) et de fiabilité (au niveau sécurité) pour initier la commercialisation à grande échelle de l’USEH.

La mise en place de systèmes réels est généralement précédée d’un ensemble d’études théoriques de faisabilité technique. La création d’outils de modélisation rend possible la simulation du fonctionnement de ces systèmes pour une application envisagée. On peut ainsi décliner l’utilisation de ce type de systèmes sans frein technique, avec comme seules contraintes, celles de l’environnement numérique préalablement choisi.

Les informations ainsi générées et leur traitement, à travers la mise en place de critères de comparaison et d’indices de performances bien définis, peuvent rapidement livrer des conclusions relatives à l’utilisation de l’USEH, et ce, à moindre coût. C’est précisément l’objet de ce travail de thèse.

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