La chaîne de valeur de l’hydrogène

L’électrolyseur permet de produire de l’hydrogène en dissociant la molécule d’eau (H2O) par un courant électrique. Aujourd’hui, quatre grandes familles d’électrolyseurs sont développées : alcalin, PEM (Proton Exchange Membrane), haute-température (ou SOE pour Solid Oxyd Electrolyzer) et fractionné.

Chacun dispose de ses propres caractéristiques mais, combiné à une source d’énergie éolienne, hydraulique ou photovoltaïque, l’hydrogène produit par l’une de ces solutions peut être qualifié de renouvelable et donc contribuer à réduire drastiquement les émissions de GES de certains usages mais également de faciliter l’intégration d’énergies intermittentes.

De nombreux acteurs sont aujourd’hui positionnés pour accélérer le déploiement de cette brique industrielle qui constitue l’un des coeurs technologiques de la filière.

La production d’hydrogène par électrolyse génère plusieurs fluides et flux en entrée comme en sortie (hydrogène, air, oxygène, eau, chaleur). Pour les gérer au mieux un ensemble d’équipements et de composants dits auxiliaires par rapport au cœur technologique, en alors indispensables : déminéralisation de l’eau, circulation d’air, purificateur, déshumidificateur, DEOXO, etc.

Quelque soit la technologie de production retenue, une connexion au réseau électrique est nécessaire cependant, elle est d’autant plus cruciale dans le cas de l’électrolyseur. Ces problématiques inhérentes à tout réseau électrique et bien connues par les acteurs industriels, revêtent certaines spécificités avec l’hydrogène. Quantité nécessaire ou encore variation de charge deviennent des éléments clés pour bien dimensionner d’un projet, surtout de grande envergure.

La production d’hydrogène par biomasse se décompose en plusieurs étapes. Portée à haute température (plusieurs centaines de degrés) dans un premier temps, la biomasse génère un gaz ayant une forte concentration en H2 et CH4 (70 % et plus) mais également un résidu de carbone solide qui lui aussi peut être valorisé. Ensuite, dans un second temps, le gaz obtenu est purifié pour obtenir de l’hydrogène seul.

Cette solution zéro émission présente de nombreux avantages pour accélérer la massification des projets hydrogène dans les territoires : flexibilité de la production, covalorisation de produits possible, diversité des intrants, etc.

Aujourd’hui, sur les 900 000 tonnes d’hydrogène produites et consommées chaque année en France plus de 95 % sont issues de combustibles fossiles et notamment de gaz naturel par vaporeformage. Les solutions industrielles sont donc largement éprouvées cependant, elles sont sources d’émissions de CO2 et GES.

Pour répondre aux enjeux de la transition énergétique et dans un souci de décarbonation rapide, des projets sont actuellement menés par capter, stocker voire réutiliser le carbone généré lors du procédé de vaporeformage.

L’hydrogène obtenu par les différentes solutions disponibles se présente toujours sous forme gazeuse. Molécule très dense énergétiquement (33 kWh/kgH2 soit 3 fois plus que l’essence), l’hydrogène est cependant très léger et nécessite d’importants volumes de stockage. Pour répondre à cette problématique, plusieurs paliers de pression/décompression sont conçus entre la production (à quelques bars) et l’utilisation (jusqu’à 700 b).
La gestion de ces différents niveaux de pression est soumis à un contrôle strict, assuré par différents instruments de métrologie, pour assurer la sécurité des installations d’hydrogène.

L’hydrogène est souvent présenté comme une solution volumineuse voire encombrante. Pour répondre à cet enjeu, de nombreux acteurs travaillent à la modularité de leurs solutions. Pour cela, ils développent des formats standardisés sous forme de conteneur (généralement 10, 20 ou 40 pieds).

En sortie d’unité de production, l’hydrogène est à l’état gazeux à quelques bars de pression. Cependant, pour répondre aux nécessités du stockage, de la distribution et de l’utilisation, l’hydrogène est alors conditionné à différents niveaux de pression puis utilisé sur site ou alors transporté par bouteilles (tubes trailers) ou injecté dans les réseaux de gaz.

Pour passer à l’état liquide, l’hydrogène passer par une étape de cryogénie à -263°C. Malgré les contraintes de mise en oeuvre et d’exploitation, l’hydrogène liquide est une véritable opportunité dans le déploiement d’une nouvelle logistique autour de projets territoriaux et industriels car les volumes transportés sont bien plus importants qu’à l’état gazeux (x 2,5). L’hydrogène liquide s’impose également comme solution de stockage embarqué pour certains usages spécifiques tels que l’aéronautique ou le grand maritime.

Grâce à des hydrures, l’hydrogène peut être « piégé » à l’intérieur de solutions liquides (composés chimiques à base de silicium par exemple). Contrairement à des solutions conventionnelles d’hydrogène liquide ces solutions permettent de s’affranchir de l’étape cryogénique tout en ayant une véritable flexibilité à l’utilisation et une capacité de stockage par m3 importante.

Ces solutions, moins matures, présentent un haut potentiel pour le transport d’hydrogène, notamment sur de longues distances.

La détection d’éventuelles fuites d’hydrogène à l’intérieur d’un véhicule – du stockage à la pile à combustible – repose sur des capteurs et composants indispensables qui constituent quasiment un système à part entière.

Le ou les réservoirs d’hydrogène constitue(nt) le cœur du système de stockage embarqué et se répartissent de façon différente pour répondre aux différentes gammes de véhicules, avec une architecture adaptée. Cependant, autour des réservoirs, toute une série de composants et de systèmes auxiliaires sont indispensables pour assurer le bon fonctionnement et l’alimentation en hydrogène du système de motorisation et surtout la pile à combustible.

Dans un véhicule hydrogène, la chaine traction permet de transmettre l’énergie générée par la pile à combustible et le moteur électrique aux roues afin de mouvoir le véhicule dans les meilleures conditions.

La pile à combustible permet de transformer l’hydrogène en électricité pour ensuite actionner le système de motorisation. La pile à combustible se compose de cellules (ou stacks), véritable « cœur » technologique, mais également de systèmes connexes nécessaires (Balance of Plant, etc.).

Complémentaire à la pile à combustible, la batterie permet d’apporter un supplément énergétique pour notamment faire face à certains appels de puissance. L’équilibre entre batteries et piles à combustible dépendra de l’hybridation souhaitée par le constructeur. Dans certaines configurations, la pile à combustible devient un prolongateur d’autonomie (plug-in) d’un véhicule électrique dont la source principale d’énergie est la batterie.

L’hydrogène obtenu par les différentes solutions disponibles se présente toujours sous forme gazeuse. Molécule très dense énergétiquement (33 kWh/kgH2 soit 3 fois plus que l’essence), l’hydrogène est cependant très léger et nécessite d’importants volumes de stockage. Pour répondre à cette problématique, plusieurs paliers de pression/décompression sont conçus entre la production (à quelques bars) et l’utilisation (jusqu’à 700 b).
La gestion de ces différents niveaux de pression est soumis à un contrôle strict, assuré par différents instruments de métrologie, pour assurer la sécurité des installations d’hydrogène.

Selon la solution d’approvisionnement retenue par les porteurs de projet, chaque station possède une alimentation en hydrogène différente. Cependant, trois grandes catégories peuvent être dégagées : production sur site (seul un stockage dit « tampon » est alors nécessaire), ravitaillement par tubes-trailers ou bouteilles (majoritairement par camions) ou ravitaillement par canalisation ou pipelines.

Selon la taille de l’installation et les besoins énergétiques à fournir par le système pile à combustible, le stockage stationnaire d’hydrogène peut nécessiter des volumes conséquents. Pour répondre à ces spécificités et compte-tenu de contraintes différentes d’un stockage embarqué, le stockage embarqué peut être cryogénique ou comprimé mais (surtout) en surface voire souterrain, ce qui permet de réduire l’empreinte en sol et de proposer une exploitation différente.

Complémentaire à la pile à combustible, la batterie permet d’apporter un supplément énergétique pour notamment faire face à certains appels de puissance. L’équilibre entre batteries et piles à combustible dépendra de l’hybridation souhaitée.

L’hydrogène est souvent présenté comme une solution volumineuse voire encombrante. Pour répondre à cet enjeu, de nombreux acteurs travaillent à la modularité de leurs solutions. Pour cela, ils développent des formats standardisés sous forme de conteneur (généralement 10, 20 ou 40 pieds).

La pile à combustible permet de transformer l’hydrogène en électricité pour ensuite actionner le système de motorisation. La pile à combustible se compose de cellules (ou stacks), véritable « cœur » technologique, mais également de systèmes connexes nécessaires (Balance of Plant, etc.).

Alors que pour la mobilité, les piles à combustible peuvent atteindre une puissance de quelques centaines de kW, pour des applications stationnaires, les installations vont rapidement atteindre le MW voire plus.

Trois gammes de pression sont aujourd’hui utilisées pour alimenter des véhicules hydrogène : 200, 350 et 700 bars. Cependant, l’hydrogène généré par les unités de production est en général obtenu à quelques bars. Pour combler cet écart , différents paliers de compression sont alors nécessaires et indispensables.

Les différentes phases de production et conditionnement de l’hydrogène, de la production à l’utilisation génèrent des variants de températures. Cependant, une phase qui peut se révéler critique est le remplissage du réservoir. En effet, l’injection d’hydrogène à très haute pression entraine un échauffement des équipements. Pour répondre à cela, les stations les plus impactées par ce phénomène sont dotées d’un système de refroidissement.

Les configurations des stations peuvent varier de façon importante selon leurs solutions d’approvisionnement mais également selon leurs capacités de distribution. Ainsi, pour s’adapter au mieux aux besoins et situations, différents schémas de stockage sont conçus, entrainant des implantations spécifiques.

Le « dispenser » recouvre l’ensemble des équipements nécessaires au transfert d’hydrogène de la zone de stockage de la station au réservoir du véhicule. Les « dispensers » varient donc, en fonction de la flotte de véhicule à laquelle s’adresse la station. Cependant, dans une logique d’interopéralibité et de massification, les « dispensers » tendent à se standardiser.

La gestion de ces différents niveaux de pression nécessaire pour utiliser l’hydrogène dans des conditions optimales, est soumise à un contrôle strict, assuré par différents instruments de métrologie, pour assurer la sécurité des installations d’hydrogène.

Vannes, clapets, capteurs et détecteurs sont des éléments indispensables pour pallier toute défaillance dans le système de distribution d’hydrogène (production, stockage, compression, dispenser, etc.).

Selon la solution d’approvisionnement retenue par les porteurs de projet, chaque station possède une alimentation différent en hydrogène cependant, trois grandes catégories peuvent être dégagées : production sur site (seul un stockage dit « tampon » est alors nécessaire), ravitaillement par tubes-trailers ou bouteilles (majoritairement par camions) ou ravitaillement par canalisation ou pipelines.

Pour assurer le bon fonctionnement de l’ensemble de l’installation et assurer la circulation et la maitrise de l’hydrogène tout au long de son cycle de vie, le développement d’équipements dédiés et notamment de tuyauterie est indispensable, surtout compte tenu des spécificités de l’hydrogène et de la fragilisation de certains matériaux (acier, etc.) que cette molécule peut générer.