L hydrogène, vecteur de la transition énergétique

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1 er L hydrogène, vecteur de la transition énergétique Club de Nice 25 Novembre 2016 Philippe BOUCLY, Conseiller Spécial de GRTgaz,

2 LES MEMBRES DE L AFHYPAC Grands groupes industriels, institutions financières et ETI Air Liquide, ENGIE GRTgaz, TIGF, EDF-EIFER, AREVA Stockage d Energie Compagnie Nationale du Rhône Michelin, Caisse Des Depôts, AXA Industriels utilisateurs et clients finaux Dassault Aviation, SNCF,CARREFOUR Organismes de Recherche, laboratoires, universités, écoles et Centres techniques CEA, CNRS, INERIS Fédération FC-LAB, CNRS GdR HysPAC, CNRS GDR ACTHYF Institut Carnot Mines Personnes physiques 40 adhérents à titre individuel PME et PMI AD-VENTA Alca Torda Applications ALBHYON ATAWEY AREVA H2Gen ENEA Consulting ENERCAT, ERGOSUP Green Access Green GT HASKEL France HINICIO Hydrogène de France Hydrogenics, MAHYTEC ITM Power McPhy Energy NEXEYA, PaxiTech POWIDIAN Pragma Industries PV Puech Long, RAIGI Seiya Consulting Sertronic, Sylfen STAUBLI SymbioFCell Tronico-Alcen, WH2 Associations, collectivités territoriales, pôles de compétitivité, AVERE CNPA Communauté d Agglomération du Grand Dole Conseil Départemental de la Manche ERH2-Bretagne Grenoble Alpes Métropole Mission Hydrogène PHyRENEES Pôle Véhicule du Futur Rouen Métropole Normandie TENERRDIS Pôle Energie 0

3 L HYDROGÈNE : ESSENTIEL AUJOURD HUI INDISPENSABLE DEMAIN Une ressource illimitée : l élément le plus abondant sur terre Dans les hydrocarbures, notamment dans le méthane (CH 4 ) Et surtout dans l eau (H 2 O) Une forte capacité énergétique Utilisé comme combustible pour les moteurs spatiaux 1kg H 2 = 33,3 kwh (3 fois plus que les combustibles conventionnels) 1kg H 2 = 100 km de conduite automobile Un gaz extrêmement léger difficile à stocker 3

4 L HYDROGÈNE : ESSENTIEL AUJOURD HUI INDISPENSABLE DEMAIN Produit / transporté / utilisé depuis plus d un siècle Monde : 60 M t par an, soit CA 100 Md En Europe : 8 M t par an dont 11 % en France ( t ) Demande mondiale en croissance Utilisé massivement comme matière première pour l industrie Ammoniac 50 % Raffinage et industrie chimique 37 % ( Méthanol, Polymères, polyuréthane ORIGINE Gaz ( CH4 par SMR ) 49 % Pétrole 29 % Charbon 18 % Electrolyse 4 % Producteurs SHELL, Air LIQUIDE, Linde, Air Products, Praxair Une production traditionnelle ( SMR ) particulièrement polluante 10 kg de CO2 pour 1 kg d H2 4

5 UN CHANGEMENT DE PARADIGME DANS LE MODÈLE ÉNERGÉTIQUE Gaz naturel Énergie Solaire Réformage (CCS) Électrolyse Mobilité (H 2 -Fuel) H 2 Bulk H 2 -Storage H 2 Voitures à PAC Biomasse Énergie Eolienne Production irrégulière CH 4 H 2 Énergie (énérgie chaleur) Réseau Stockage de gaz réseau Turbine à Gaz Nucléaire CH 4 injection H 2 Production constante H 2 CO 2 Méthanation / utilisation du CO 2 / autres Industrie (Usage Industriel du H 2 ) Industrie

6 UNE BAISSE IMPORTANTE DES COUTS PV : Baisse de 80 % entre 2008 et 2014 Baisse de 25 % attendue d ici 1 (AIE) Coût élec : 700 EUR/MWh en USD/MWH Eolien : Baisse de 30 % sur 5 ans Baisse de 15 % attendue d ici 1 Batteries Li-ion ( EUR/kWh ) Piles à Combustibles Prix divisés par 20 en 8 ans ( ) ( TOYOTA ) Coût actuel : 1000 EUR/kW Objectif 50 EUR/kW ( si par an )

7 Composants majeurs du système électrique CONTROLABLE Energie Electrique PRODUCTION RESEAUX INTER CONNEXIONS VARIABLE Energie - Mécanique - Cinétique - Thermique - Chimique -Electrochimique STOCKAGES D ELECTRICITE SSYSTEME ELECTRIQUE DEMAND - SIDE MANAGEMENT «SMART GRIDS» 10

8 L HYDROGÈNE EST AUJOURD HUI LA TECHNOLOGIE LA PLUS ADAPTÉE POUR LE STOCKAGE MASSIF DE LONGUE DURÉE CAPACITE ENERGETIQUE ET CONSTANTE DE TEMPS DES DIFFERENTES SOLUTIONS DE STOCKAGE D ELECTRICITE 1) «Compressed Air Energy Storage» : Stockage d Energie par Air Comprimé 2)Station de transfert d energie par pompage - De l eau est pompée dans un réservoir haut, puis turbinée pour régénérer l électricité, sur le même principe qu un barrage hydroélectrique 3) «Superconduction magnetic energy storage» = Stockage d énergie par supraconducteurs - A très basse température, les matériaux supraconducteurs permettent de stocker de l électricité dans des boucles, le courant pouvant y tourner indéfiniment puisque soumis à aucune perte. 4) La constante de temps d un stockage est égale au ratio «Capacité énergétique / Puissance maximale» du stockage. Elle caractérise le temps mis par un stockage pour se vider (ou se charger) entièrement lors d un fonctionnement à puissance maximale. Son unité est une unité de temps (le plus souvent, l heure)

9 Qu est ce que le Power To Gas? Solaire Eolien Electrolyse H2 + stockage? H2 INDUSTRIE/ MATIERE PREMIERE ( POWER TO INDUSTRY ) ( POWER TO SYNFUELS ) PRODUCTION D ELECTRICITE / COGENERATION ( POWER TO POWER ) Conventionnel H2 MOBILITE ( POWER TO MOBILITY ) Réseau électrique Capture CO2 Méthanation CH4 Injection dans le réseau de gaz naturel Réaction de Sabatier CO2 + 4 H2 CH4 + 2 H2O Usages du gaz naturel

10 ELECTROLYSEURS TYPE ALCALIN PEM SOEC Temperature 60 à 80 C 60 à 80 C 700 à C Pression Atmosphérique Peut monter à 30 bar 15 à 30 bar Monter à 80 bar? 1 à 10 bar Pureté 99,5 % 99,95 % Rendement 74 à 78 % à Patm 66% à 10 bar Supposé supérieur à l alcalin ( 90 % en 0?) 80 à 90 % ( Chaleur apportée ) Capacité d un stack 400 à 500 m3/h 60 m3/h pour les plus courants Jusqu à 200 m3/h ( Démonstrateurs actuels ) Densités de courant très importantes Durée de vie > h pour le stack h pour le stack Fragilité des 20 à 30 ans pour le reste 20 à 30 ans pour le reste céramiques CAPEX EUR/kW EUR/kW OPEX 1 MW : 4 à 5% CAPEX 10 MW : 1 à 2 % CAPEX Coût Stack : 30% CAPEX 1 MW : 2 à 3% CAPEX 10 MW : 1 à 2 % CAPEX Coût Stack : 50% CAPEX 10

11 ELECTROLYSEURS NEL Hydrogen : Electrolyseur alcalin (2 MW) Siemens : Electrolyseur PEM (1,25 MW) 11

12 PILE A COMBUSTIBLE Réactions électrochimiques Oxydation de l hydrogène : 2 H2 4 H+ + 4 e- Réduction de l oxygène : O2 + 4 H+ + 4 e- 2 H2O Réaction complète : 2 H2 + O2 2 H2O 12

13 PILE A COMBUSTIBLE Combustible Refroidissement Comburant 13

14 Réaction : 4H 2 + CO 2 Réacteur catalytique 200 à 550 C voire 750 C Catalyseur : Ni METHANATION CH 4 + 2H 2 O + chaleur Réacteur biologique 35 à C 14 ETOGAS SUNFIRE Electrochaea VIESSMANN

15 MODÉLISATION DE L ÉQUILIBRE OFFRE/DEMANDE HEURE PAR HEURE RÉALISÉE, EN SIMULANT LA VARIABILITÉ (ÉOLIEN, PV, DEMANDE) SUR LA BASE DE DONNÉES HISTORIQUES ESTIMATION DE REPRESENTATION DE L EQUILIBRE OFFRE/DEMANDE SUR 3 JOURS Surplus de production Nucléaire+Fatale Production totale Nucléaire + Fatale Manque de production Nucléaire+Fatale (production assurée par d autres moyens de production) Consommation intérieure Pu uissance [MW] Eolien Solaire Nucléaire 0 Hydraulique au Fil de l eau Jour 3 15 Source: Modélisation et Analyses E-CUBE Strategy Consultants

16 LES PÉRIODES DE SURPLUS DE PRODUCTION SERONT PRINCIPALEMENT DE LONGUE DURÉE CARACTERISATION DES PERIODES DE SURPLUS DE PRODUCTION EN FONCTION DE LA DUREE DE LA PERIODE Volume de surplus [en TWh] - échelle de gauche Occurrence des surplus [en #/an] - échelle de droite ~80% des surplus (en volume) proviennent de périodes de surplus de longue durée (12h consécutives ou plus) 300 production [en TWh] Surplus de Nombre d occurrenc ce [en #/an] 2 0 < 12h 12 à 24h 1 à 2 jours 2 à 3 jours 3 j à 1 semaine 0 16 Durée des périodes de surplus [en nombre d heures ou de jours consécutifs de surplus de production] Source: Modélisation et Analyses E-CUBE Strategy Consultants

17 A HORIZON 2050, L ÉLECTROLYSE POURRAIT ASSURER LA GESTION D ENVIRON 25 TWH/AN DE SURPLUS DE PRODUCTION DU SYSTÈME ÉLECTRIQUE FRANÇAIS ESTIMATION DU VOLUME DE SURPLUS «ABSORBE» PAR ELECTROLYSE DE L EAU [TWH] ~ 15 TWh ~ 15 TWh ~ 75 TWh ~ 15 TWh ~ 5 TWh ~25 TWh 1) Hypothèses : 8,5 GW de capacité STEP en pompage (fondé sur le potentiel techniquement accessible en France, d après le ministère de l énergie) soit 4,2 GW supplémentaire par rapport à la capacité installée aujourd hui (avec une hypothèse de constante de temps en charge de 20h) 2) Les modélisations conjointes des systèmes électriques français et allemand montrent que la possibilité d export serait possible seulement 20% du temps. Ce résultat a été obtenu en modélisant l équilibre offre/demande sur les systèmes électriques allemand (sur la base du scénario % ENR de l agence fédérale allemande) et français et en analysant les périodes durant lesquelles les surplus de production sot synchrones 3) ~80% des périodes de surplus sont des surplus de longue durée (12h consécutives de surplus ou plus) pour lesquelles seules les STEP et l électrolyse sont pertinentes. On suppose que les 20% de surplus restant correspondant à des surplus de courte durée sont assurés par d autres moyens de stockage (batteries, CAES, ) 4) Ce volume de surplus constitue le volume qui n est pas économiquement intéressant d utiliser pour produire de l hydrogène 17 Source: Analyses E-CUBE Strategy Consultants

18 ENSEIGNEMENTS MAJEURS À travers la gestion coordonnées des réseaux qu il impose, le Power-to- Gas ouvre la voie à une vision systémique de notre modèle énergétique; Le Power-to-Gas est incontournable dans tous les scénarios intégrant une pénétration élevée des énergies renouvelables et une forte réduction des émissions de GES. Le Power-to-Gas ne nécessite pas de rupture technologique, mais son industrialisation et son intégration dans le système énergétique exigent des efforts conséquents d optimisation des différentes briques, qui le composent, ce qui passe par des démonstrateurs et des pilotes industriels; 18

19 Le projet JUPITER 1000 fédère des partenaires aux expertises complémentaires hydrogène Electricité Electrolyse alcaline 0,5 MW Electrolyse PEM 0,5 MW hydrogène Méthanation CO 2 Captage et stockage du CO 2 méthane Injection dans le réseau de transport Méthane ou mélange d hydrogène et de méthane. 19

20 Compresseurs JUPITER 1000 EN 3D Electrolyseurs Méthaneur Poste injection mélange et analyse Contrôle-commande, supervision 20

21 Les objectifs du démonstrateur de GRTgaz Valider le procédé comme mode de stockage vis à vis du réseau électrique Valider les services rendus au réseau électrique (modularité...) Valider les technologies, impacts... Lancer la filière Power-To-Gas en France Construire les conditions favorables à l émergence d une filière industrielle Construire un Business Model Faire émerger et traiter un à un les points durs afin d atteindre la rentabilité Le meilleur moyen de convaincre est de passer du concept à un outil réel 21

22 LE P2G APPORTE DES BÉNÉFICES SOCIO-ÉCONOMIQUES CONSIDÉRABLES Service au réseau électrique- Gestion des congestions Le P2G peut participer aux services systèmes (marché de ~1 000 MW aujourd hui) Le P2G permettra d éviter une partie des investissements réseaux : Investissements à 2030 évalués à +100 Mds, dont une part importante liée à l accueil des capacités renouvelables Décarboner le mix énergétique Intégrer les EnR et stocker les surplus d électricité Rejet de CO2 évité : 5 à 8.3 MT CO2 /an Contribuer à une mobilité décarbonée : 10 TWh d H2 permettent d alimenter 2,4 millions de véhicules Capter et valoriser du CO2 via la méthanation Retombées sociales & économiques Moindre importation de combustibles fossiles - Amélioration de la balance commerciale Favorise le développement des productions électriques renouvelables nationales Création d emplois Opportunités à l export pour les technologies 22

23 Quels usages pour l hydrogène? Solaire Eolien Electrolyse H2 + stockage? H2 INDUSTRIE/ MATIERE PREMIERE ( POWER TO INDUSTRY ) ( POWER TO SYNFUELS ) PRODUCTION D ELECTRICITE / COGENERATION ( POWER TO POWER ) Conventionnel H2 MOBILITE ( POWER TO MOBILITY ) Réseau électrique Capture CO2 Méthanation CH4 Injection dans le réseau de gaz naturel Réaction de Sabatier CO2 + 4 H2 CH4 + 2 H2O Usages du gaz naturel

24 PLUSIEURS SORTES DE VÉHICULES ICE HEV BEV FCEV Réservoir Essence/diesel/GPL/GNV + moteur à combustion ( ICE ) Hybride Batterie électrique + moteur électrique Réservoir hydrogène + Pile à hydrogène + moteur électrique

25 SYMBIOFCELL : Des Renault Kangoo ZE dotés de prolongateurs d autonomie

26 UNE TECHNOLOGIE AU POINT Cœur de pile / Stack Ligne Hydrogène Compresseur d air Assemblage Membrane Electrodes Electronique de puissance et contrôle commande

27 LE MARCHÉ DES VÉHICULES HYDROGÈNE POURRAIT REPRÉSENTER EN 2030 : véhicules Berlines Compactes Véhicules utilitaires t d hydrogène Parc des 4 véhicules 6 H 2 8, x stations H Stations H 2 80 kg/jour 212kg/jour 420kg/jour Consommation H 2, tonnes x1000 par an 3 TWh de production électrique ,269 1, ,251 Consommation électrique 2 4pour l électrolyse, 6 8 GWhpar 0 an Source :

28 UN DEVELOPPEMENT PROMETTEUR LTECV ( Article 121 et Mobilité écologique) Rapport CGE / CGEDD ( Approche systémique) Appel à projets «Territoires Hydrogène» 29 projets labellisés ( sur un total de sites) 28

29 L HYDROGÈNE,VECTEUR ÉNERGÉTIQUE Electron Chaleur Méthane/ Gaz naturel Vaporéformage Hydrogène Méthanation ou injection /Mélange

30 Vers l ENERNET! Réseaux gaz naturel Ré éseaux de chaleur Gaz CH4 Méthanation H2 Electrolyse Gaz Carbonique Réseaux électricité 30

31 Jules Verne,L île Mystèrieuse MERCI pour votre attention «Oui, mes amis, je crois que l eau sera un jour employée comme combustible, que l hydrogène et l oxygène, qui la constituent,utilisés isolément ou simultanément, fourniront une source de chaleur et de lumière inépuisable et d une intensité que la houille ne saurait avoir»