Table des matières
Production électrique en France
Cadrages de la loi Energie-Climat
- Objectif 2035 réduire la part de la production nucléaire à 50% dans le mix de production électrique français.
- Objectif 2030 atteindre 40% de production d’électricité de source renouvelable
Production électrique en 2019
Eolien
Photovoltaïque
Hydraulique
Bioénergie
Rappels de chimie
Définition de la Mole
La mole est une des unités de base du Système International (SI).
Définition depuis 2018 : La mole est la quantité de matière d’un système contenant exactement 6,022 1023 entités élémentaires (atomes, ions, molécules, etc.). Ce nombre est appelé nombre d’Avogadro.
Depuis 1971, on définissait la mole comme la quantité de matière contenant autant d’entités élémentaires qu’il y a d’atomes dans 12g de Carbone 12.
Gaz Parfait
C’est un modèle décrivant le comportement des gaz réels à basse pression fondé sur l’observation expérimentale. Tous les gaz tendent vers ce comportement à pression suffisamment basse quelle que soit la nature chimique du gaz. La relation entre la température, le volume et la pression est indépendante de la nature du gaz.
PV = nRT
P est la pression du gaz,
V le volume occupé par le gaz,
T la température absolue (en kelvin),
n la quantité de matière (en mole),
R la constante universelle des gaz parfaits (R = 8,314 J.K-1.mole-1)
Volume molaire
Le volume molaire est le volume occupé par une mole de cette substance. Ce volume peut être déterminé pour toute substance et dans toutes les phases (gaz, liquide, solide).
Ce volume en SI s’exprime en m3/mole, mais le plus pratique est de l’exprimer en litre par mole (l/mole).
Pour un gaz parfait :
Volume molaire à 0°C et 1 atm (1013,25 hPa) : 22,414 l/mol (conditions normales de température et pression CNTP)
Volume molaire à 20°C et 1 atm (1013,25 hPa) : 24,055 l/mol (conditions standard de température et pression CSTP)
Masse molaire
La masse molaire d’une substance est la masse d’une mole de cette substance. Cette masse dans le SI s’exprime en kilogrammes par mole (kg/mole) mais elle est plus souvent exprimée en grammes par mole (g/mol)
Les masses molaires du proton et du neutron sont voisines de 1g/mol. (l’électron est 1800 fois plus léger)
L’atome d’hydrogène est le plus simple des atomes, il ne possède qu’un proton.
L’isotope stable du carbone possède 12 nucléons (6 protons et 6 neutrons).
Les hydrocarbures sont des molécules assemblage de carbone et d’hydrogène de forme générale CnHm
Pouvoir Calorifique
Le pouvoir calorifique ou chaleur de combustion est l’énergie dégagée sous forme de chaleur par la combustion d’une matière combustible avec le dioxygène dans les conditions normales de température et de pression 0°C, 1 atm (CNTP).
Densité d’énergie
Le pouvoir calorifique exprime la densité d’énergie par masse ou par volume du produit
Le tableau ci-dessus montre que la densité d’énergie par volume du dihydrogène H2 est très faible dans les conditions normales de température et de pression (0°C, 1 atm).
En volume
La lecture du tableau permet de déduire que 1000 litres d’H2 à 0°C et pression ambiante contiennent autant d’énergie que 0,3 litres d’essence.
En masse
Un kg d’essence contient 13 kWh d’énergie sous forme de chaleur quand on le fait brûler.
Le pétrole (ainsi que ses dérivés l’essence, le diesel, …) est un produit miraculeux car c’est un condensé fabuleux d’énergie qui a surtout la bonne idée d’être liquide à la pression et température ambiante et donc facilement stockable et manipulable ce qui n’est pas le cas par exemple du gaz naturel et surtout de l’hydrogène.
Conditionnement de l’hydrogène
Pour diminuer le grand volume encombrant et contenant peu d’énergie dû à la faible densité d’énergie volumique du dihydrogène plusieurs solutions techniques peuvent être utilisées ou sont à l’étude.
Sous forme de gaz comprimé
La méthode la plus simple permettant de diminuer le volume d’un gaz, à température constante, est d’augmenter sa pression.
A 700 bar, l’hydrogène possède une masse volumique de 42 kg/m3 contre 0.090 kg/m3 à pression et température normales. À cette pression, on peut stocker 5 kg d’hydrogène dans un réservoir de 125 litres.
Aujourd’hui la majeure partie des constructeurs automobiles a retenu la solution du stockage sous forme gazeuse à haute pression. Cette technologie permet de stocker la quantité d’hydrogène nécessaire à une voiture alimentée par une pile à combustible pour parcourir de 500 à 600 km entre chaque plein.
Sous forme liquide
Une technique de pointe pour stocker un maximum d’hydrogène dans un volume restreint consiste à transformer de l’hydrogène gazeux en hydrogène liquide en le refroidissant à très basse température.
L’hydrogène se liquéfie lorsqu’on le refroidit à une température inférieure de -252,87°C.
Ainsi, à -252.87°C et à 1,013 bar, l’hydrogène liquide possède une masse volumique de près de 71 kg/m3. À cette pression, on peut stocker 5 kg d’hydrogène dans un réservoir de 75 litres.
Afin de pouvoir conserver l’hydrogène liquide à cette température, les réservoirs doivent être parfaitement isolés.
Le stockage de l’hydrogène sous forme liquide est pour l’instant réservé à certaines applications particulières de très hautes technologies comme la propulsion spatiale. Par exemple, les réservoirs de la fusée Ariane, conçus et fabriqués par Air Liquide, contiennent les 28 tonnes d’hydrogène liquide qui vont alimenter son moteur central. Ces réservoirs sont une véritable prouesse technologique : ils ne pèsent que 5,5 tonnes à vide et leur paroi ne dépasse pas 1,3 mm d’épaisseur.
Sous forme solide
Le stockage de l’hydrogène sous une forme solide, c’est-à-dire conservé au sein d’un autre matériau, est aussi une piste de recherche prometteuse.
Les méthodes de stockage de l’hydrogène sous forme solide sont des techniques mettant en jeu des mécanismes d’absorption ou d’adsorption de l’hydrogène par un matériau. Un exemple est la formation d’hydrures métalliques solides par réaction de l’hydrogène avec certains alliages métalliques. Cette absorption résulte de la combinaison chimique réversible de l’hydrogène avec les atomes composant ces matériaux. Les matériaux parmi les plus prometteurs sont les composés à base de magnésium et les alanates.
Seulement une faible masse d’hydrogène peut être stockée dans ces matériaux, c’est pour l’instant l’inconvénient de cette technologie. En effet, les meilleurs matériaux permettent à ce jour d’obtenir un rapport poids d’hydrogène au poids total du réservoir ne dépassant pas 2 à 3%.
Synthèse
Dans le bilan énergétique, ces opérations de compression ou de liquéfaction sont couteuses en énergie, elles consomment de l’ordre de 15% de l’énergie initiale pour la compression à 700 bars et 35% pour la liquéfaction.
Par ailleurs, sous forme comprimée ou liquéfiée il faut réaliser des réservoirs complexes qui compte tenu de la taille très petite et de la légèreté de la molécule de dihydrogène ne sont pas complètement étanches ce qui engendre des pertes dues au stockage.
En conditions normale de température et pression :
1 litre d’essence libère 9 kWh d’énergie calorifique.
Pour fournir la même énergie le tableau ci-dessous donne le volume nécessaire de dihydrogène :
Production de l’Hydrogène
Bien que l’élément l’hydrogène (H) soit l’élément le plus abondant de l’Univers, sur Terre, il existe principalement sous sa forme combinée à d’autres atomes, l’eau H2O (1kg d’eau contient 110g d’hydrogène), les hydrocarbures notamment le gaz naturel (CH4).
Pour obtenir de l’hydrogène, il est nécessaire d’utiliser des techniques de séparation de l’hydrogène des molécules dans lesquelles il est chimiquement lié.
Techniques de production
On peut produire de l’hydrogène d’au moins une dizaine de façons.
- A partir du charbon de chauffage, c’est ce qui s’appelait le « gaz de ville » jusque dans les années 60
- A partir du gaz naturel qui est composé principalement de méthane avec le la vapeur d’eau. C’est la méthode industrielle la plus employée dite « reformage » (cf. production « Hydrogène Gris »).
- A partir de la biomasse par gazéification qui présente des problèmes d’approvisionnement à grande échelle
- A partir de micro-organismes photosynthétiques, production en laboratoire pas à grande échelle.
- A partir de l’eau il existe 3 méthodes
- Par électrolyse aujourd’hui la production mondiale est très faible mais c’est un des sujets de recherche
- Par thermolyse ou craquage thermochimique de la molécule d’eau à très haute température (900 à 3000 °C) envisagé dans des futures centrale nucléaires VHTR (Very Hight Temperature Reactor)
- Par Photo-électrolyse sur un semi-conducteur.
Production d’Hydrogène « Gris »
Procédé thermochimique avec comme matières premières des sources fossiles (charbon ou gaz naturel).
Aujourd’hui, 95% du dihydrogène (H2) est produit par « vaporeformage » de combustibles fossiles. Le vaporeformage est une réaction chimique qui casse les molécules d’hydrocarbure (méthane CH4) en présence de vapeur d’eau, de chaleur et d’un catalyseur pour libérer de l’hydrogène. Cette méthode polluante produit du CO2.
Dans ce processus, 1 kg d’hydrogène produit dégage 10 kg de CO2
L’hydrogène liquide est 2,5 fois plus léger que le kérosène à égalité de puissance mais il tient 3 fois plus de place.
Gaz Naturel + Vapeur d’eau à Dioxyde de Carbone + Hydrogène
CH4 + 2H2O à CO2 + 4H2
Le coût de production par ce processus est de 1,5€/kg d’H2 c’est actuellement le procédé le moins cher.
La production mondiale est de l’ordre de 75 millions de tonnes par an ce qui a engendré l’émission de 800 millions de tonnes de CO2, un chiffre comparable aux émissions du transport aérien commercial (918 millions de tonnes en 2018)
La France produit 900 000 tonnes par an essentiellement pour la chimie, la production d’ammoniac et comme réactif dans les procédés de raffinage des bruts en produits pétroliers, carburants et biocarburants.
Production d’Hydrogène « Bleu »
Fabriqué de la même manière que l’hydrogène gris, à la différence que le CO2 émis lors de la fabrication sera capté pour être réutilisé ou stocké.
Production d’Hydrogène « Vert »
Fabriqué par électrolyse de l’eau à partir d’électricité provenant uniquement d’énergie renouvelable.
Production d’Hydrogène « Jaune »
Spécifique à la France, est fabriqué par électrolyse comme l’hydrogène vert mais l’électricité provient essentiellement de l’énergie nucléaire.
Transport de l’hydrogène
L’hydrogène est généralement transporté sous forme comprimée via un réseau de pipelines relativement étendu, avec un total de plus de 4 500 km dans le monde, dont 1 600 km en Europe et 2 500 km aux États-Unis.
Des pays comme le Japon envisagent également d’importer de l’hydrogène, qui serait alors transporté par bateau depuis l’Australie par exemple.
Nouvelles perspectives
La transition énergétique doit permettre de passer à l’hydrogène comme vecteur énergétique.
L’hydrogène n’est pas une source d’énergie, c’est un vecteur énergétique au même titre que l’électricité. Il faut le produire et ce n’est qu’une partie de l’énergie utilisée pour le produire qui peut ensuite être libérée pour différents usages.
La France est un acteur majeur de la recherche et de l’innovation dans le domaine de l’hydrogène énergie et des piles à combustibles, avec notamment le CNRS, le CEA et de jeunes entreprises innovantes.
Utilisation actuelle de l’hydrogène
Le dihydrogène n’est quasiment pas utilisé dans le domaine de l’énergie.
Il est l’une des matières de base de l’industrie chimique et électrochimique. Il sert notamment à la production d’ammoniac de méthanol et au raffinage du pétrole. Il est également employé en métallurgie, électronique ainsi que dans le secteur agricole pour la production des engrais et dans le secteur alimentaire.
Hydrogène vecteur énergétique
L’utilisation de l’hydrogène comme vecteur énergétique suppose l’usage d’une pile à combustible (PAC). Ce dispositif électrochimique permet de convertir le dihydrogène en électricité et en chaleur, le système coproduit également de l’eau.
Cette transformation ne produit ni polluants ni gaz à effet de serre. L’électricité et la chaleur ainsi produites peuvent servir des applications très diverses, tant pour le stationnaire que la mobilité.
Techniques de production et d’utilisation de l’hydrogène « vert »
Contraintes des énergies non pilotables
Plusieurs scenarii, dont celui de l’ADEME, mettent en évidence des surplus d’électricité́ renouvelable très importants : de 30 à 90 TWh à l’horizon 2050. Cette énergie n’étant pas pilotable et le réseau de distribution devant rester en équilibre production consommation, il faut développer des systèmes de stockage et restitution non polluants.
La solution envisagée est de transformer l’énergie électrique en gaz, stocker ce gaz à moyen long terme stockage saisonnier (EnUs : seasonal) et de retransformer le gaz en énergie électrique à la demande.
Le moyen de réaliser ces 2 opérations est de mettre au point des Piles à Combustibles capables de réaliser les conversions « Power to Gas » et « Gas to Power » avec un coût acceptable et un bon rendement.
Production par un électrolyseur
Eau + Electricité Verte (électrolyse) à Hydrogène + Oxygène + Chaleur (énergie thermique)
2H20 + Eel à 2H2 + O2 + Eth
On parle pour ce type de production « d’hydrogène vert » par un électrolyseur
Utilisation par une Pile à Combustible
Hydrogène + Oxygène de l’air à Energie électrique + Eau + Chaleur (énergie thermique)
2H2 + O2 à Eel + H20 + Eth
C’est le principe de fonctionnement d’un moteur électrique alimenté par de l’hydrogène via une pile à combustible (PAC).
Rendement de la chaine « Power-to-H2-to-Power »
La réaction d’électrolyse qui produit de l’hydrogène et la réaction de production d’électricité à partir de l’hydrogène peuvent être par principe réalisées au sein d’une même pile à combustible en inversant son fonctionnement.
Travaux du CEA
En vue d’une filière hydrogène « propre » (sans carbone), le CEA privilégie les procédés d’électrolyse couplés à une électricité́ de type ENR et/ou nucléaire. L’enjeu majeur pour la R&D réside donc dans la baisse du coût des procédés d’électrolyse et dans l’augmentation de leurs rendements, via l’électrolyse haute température (EHT).
En 2004, les équipes du CEA-Liten à Grenoble décident de partir d’une page blanche pour l’électrolyse de l’eau. Le CEA met alors au point la technologie rSOC d’électrolyse à haute température pour la production de masse et qui n’utilise pas de métaux précieux.
Entre 700 et 800 °C, la couche d’oxydes solides (céramique) de l’électrolyseur sépare l’hydrogène de l’oxygène contenue dans la vapeur d’eau.
En 2012, le premier prototype du laboratoire est créé. Le processeur d’énergie est réversible : en mode électrolyseur, il crée de l’hydrogène à partir de vapeur d’eau et d’électricité ; en mode pile à combustible, il produit énergie et chaleur à partir d’hydrogène et d’air.
Investissements des états de l’Union Européenne
Commission Européenne
40 GW d’électrolyseurs pour la production d’hydrogène renouvelable avec une production de 10 Mt d’hydrogène renouvelable dans l’UE en 2030
France
7 milliards d’euros dont 2 milliards issus du plan France Relance de septembre 2020. Ce plan porte sur les 10 années à venir 2020-2030.
Les priorités à l’horizon 2023 avec un budget de 3,4 Mds€ sont les suivantes :
- Décarboner l’industrie via une filière française de l’électrolyse (54%)
- Développer une mobilité lourde trains, bus, poids lourds, flotte de véhicules utilitaires (27%)
- Soutenir la recherche, l’innovation et le développement des compétences (19%)
Allemagne
9 milliards d’euros avec pour objectif de devenir le fournisseur n°1 mondial d’hydrogène
Portugal
3 milliards d’euros pour la production d’hydrogène vert à partir d’énergie solaire.
Espagne
9 milliards d’euros sur le long terme 2050 avec un objectif en 2030 d’un parc de 5000 à 7500 véhicules à pile à combustible.
The Shift Project Analyse de la filière Hydrogène
Article de Jean-Marc Jancovici
« Quelques milliards du plan de relance concernent l’hydrogène, pour remplacer le pétrole dans les véhicules. »
Faisons un petit calcul :
– notre pays consomme actuellement 40 millions de tonnes de carburants routiers par an
– La chaine PAC + moteur électrique ayant 30% de rendement global vs 20% pour le moteur à combustion interne, il faut 6 millions de tonnes d’hydrogène pour fournir la même énergie mécanique.
– avec un rendement de 70% pour l’électrolyse et 80% pour la compression-stockage, il faut 350 TWh d’électricité pour produire 6 Mt d’H2 par an.
– si on veut faire ça avec des ENR, puisque le nucléaire est caca berk, ça fait ≈150 GW d’éolien à 23% de facteur de charge (moyenne française), ou plus de 200 GW de solaire, qui viendraient bien sûr se rajouter à la puissance qu’il faut déjà installer pour descendre le nucléaire caca berk à 50%.
L’H2 restera marginal pour décarboner dans les délais 35 millions de voitures d’une tonne et demie en France.
Ce qu’il faut, c’est remplacer les voitures utilisées pour les déplacements du quotidien par des vélos (électriques), des bus, des trains, de la marche à pied et du télétravail, comme The Shift Project le préconise »
Choix technologiques Hydrogène par secteur en France
Secteur Industriel
C’est le premier secteur qui bénéficiera des aides car il consomme aujourd’hui la quasi-totalité de l’hydrogène produit. Ce secteur devra développer les composants industriels français permettant de déployer les autres secteurs.
L’objectif est de remplacer « l’hydrogène gris » consommé par le secteur industriel par de « l’hydrogène vert ». Pour réduire l’impact carbone de l’industrie et des transports lourds, il faudra de l’hydrogène produit par électrolyse de l’eau, qu’il soit vert (à partir de renouvelables) ou jaune (du nucléaire).
Ceci passe par la création d’une filière industrielle française de production.
D’abord, créer une filière de l’électrolyseur, avec l’ambition de construire des gigafactories afin d’être en mesure d’installer en France 6,5 gigawatts de capacités de production d’hydrogène décarboné d’ici à 2030 équipées de matériel d’électrolyse français.
A ce jour, la France dispose de deux fabricants d’électrolyseurs, McPhy, dont EDF est actionnaire, et la startup H2gen de chez Areva.
Il faudra développer l’électrolyse haute température pour les industries comme la sidérurgie et inciter les industriels à payer dans un premier temps 4 à 5 fois plus que par l’actuelle filière de l’hydrogène gris. Toutefois il est prévu que des aides fiscales pendant une quinzaine d’années aident à cette conversion.
Secteur transports lourds trains et camions
Secteur ferroviaire
Alstom a annoncé qu’en 2022, il livrera 27 rames destinées à un réseau allemand dans la région de Francfort sur le Main. Ces trains sont munis de piles à combustible ils utilisent de l’hydrogène pour produire de l’électricité. Consommée pour la traction ou les équipements à bord, le surplus d’électricité produit par la pile est stocké dans des batteries lithium-ion qui récupèrent aussi de l’énergie au freinage. Ces trains régionaux de 160 places ont une vitesse maximale de 140 km/h et une autonomie de 1 000 km.
Secteur camions
TbD
Secteur aérien
La technologie envisagée pour les moteurs d’avions est la combustion directe de l’hydrogène dans une turbine à gaz en remplacement du kérosène vaporisé. L’hydrogène est transporté sous forme liquide dans des réservoirs maintenus
Les avant-projets Airbus ZEROe
Il faut attendre 2025 avant de pouvoir affirmer que les technologies seront matures pour lancer un projet d’avion.
Analyse SUPAERO-DECARBO
Les avions à hydrogène du plan ZEROe n’ont pas vocation à remplacer les long-courriers : ce plan ne propose en effet le passage à l’hydrogène que pour les avions effectuant des trajets dans un rayon maximal de 3 700 km.
Cette distance franchissable soulève deux problèmes.
D’une part, cela ferait rentrer ce futur avion à hydrogène en concurrence avec le train.
D’autre part, les trajets de moins de 3 700 km ne représentent que 60 % des émissions de CO2 de l’aviation, que deviennent les 40 % restants ?
Cette étude mériterait d’être mise à jour à l’aune des propulsions hybrides proposées dans le plan ZEROe, mais ces divers éléments montrent que, malgré les effets d’annonce aguicheurs, il n’est en rien évident que ce plan aura un impact aussi important qu’escompté sur le réchauffement climatique.
Question jusqu’ici passée sous silence et pourtant majeure, celle de l’adaptation des structures aéroportuaires à l’irruption de l’hydrogène.
il serait nécessaire de repenser le système de production, de stockage et d’acheminement d’un tel carburant dans les aéroports, ce qui impliquerait des travaux conséquents et prendrait du temps, il y a tout lieu de penser que nombre de pays et d’aéroports ne pourraient pas se permettre de développer de telles infrastructures
Selon l’Atelier d’Ecologie Politique (Atécopol), pour alimenter Paris Charles de Gaulle en hydrogène, il faudrait 16 réacteurs nucléaires ou l’équivalent d’un département français recouvert d’éoliennes.
Quelle trajectoire serait compatible avec les accords de Paris (2015) sur le climat ?
Respecter ces accords nécessite en effet de réduire dès à présent nos émissions de 7 % par an au niveau mondial jusqu’en 2050, et plutôt entre 10 et 13 % par an pour les pays de l’OCDE si l’on veut respecter un minimum d’équité avec les pays en voie de développement.
Par ailleurs, au rythme actuel des émissions annuelles, le budget carbone pour rester sous les 1,5 °C d’augmentation de température sera épuisé avant que l’avion à hydrogène ne voit hypothétiquement le jour !
Références
ENEDIS panorama électricité renouvelable 2019
