Utiliser l’H2 ou ne pas utiliser l’H2 ? Telle est la question. Une réponse collaborative

Les projets d’hydrogène vert constituent un atout important dans la course aux émissions zéro. Une étude de cas hypothétique explore la viabilité des projets d’hydrogène vert dans le marché actuel. BG Consulting Engineers SA (BG) et la start-up Sympheny ont rassemblé des expériences concrètes et des solutions de pointe pour évaluer les avantages économiques et environnementaux de la production d’hydrogène vert pour la mobilité lourde en Suisse.

 

Motivation et objectif

Les récentes pénuries d’énergie en Europe nous ont rappelé l’importance de l’indépendance énergétique, en particulier pour un pays enclavé comme la Suisse. L’augmentation de la part des énergies renouvelables produites localement, en particulier l’énergie solaire photovoltaïque et l’énergie éolienne est devenue une question de sécurité nationale. Cependant, la nature intermittente et saisonnière de l’énergie photovoltaïque ainsi que de l’énergie éolienne pose un problème qui n’a pas encore été résolu. L’une des solutions possibles est de transformer l’excédent d’électricité renouvelable en hydrogène vert, un vecteur énergétique chimique stable qui peut être stocké sur de longues périodes. En Suisse, la principale utilisation prévue de l’hydrogène vert est la mobilité lourde, qui est l’un des secteurs les plus difficiles à décarboniser.

L’hydrogène vert pose deux grands problèmes :

  1. La concurrence pour les énergies renouvelables : produire un kilogramme d’hydrogène à l’aide d’un électrolyseur nécessite environ 10 litres d’eau et 50 kWh d’électricité. Le réseau électrique suisse repose actuellement en partie sur des combustibles fossiles. Par conséquent, l’utilisation d’électricité renouvelable pour produire de l’hydrogène vert pourrait entraîner une concurrence pour les ressources énergétiques renouvelables.
  2. Le coût de production : le coût de production d’un kilogramme d’hydrogène vert est élevé. Les ressources disponibles pour la décarbonisation sont limitées. Le prix actuel d’une tonne d’émissions de CO2 évitées est d’environ CHF 100 CHF (klik.ch/resources/KliK-Foundation_Annual-Report_2021.pdf). Le coût de la réduction des émissions est un bon indicateur pour la prise de décision dans le cadre d’une étude de faisabilité.

BG, en collaboration avec l’Université des Arts et Métiers de Paris et la start-up suisse Sympheny, a pour objectif de faire des tests en rapport avec ces problèmes et de répondre à la question suivante : Est-il judicieux, d’un point de vue environnemental et économique, de produire de l’hydrogène vert pour la mobilité lourde en Suisse en 2023 ?

Contexte de l’étude de cas

Pour répondre à cette question, une étude de cas hypothétique a été conceptualisée, en se basant sur la vaste expérience de BG dans les secteurs de l’industrie, du bâtiment et de l’énergie. L’étude de cas conceptualisée, avec des combinaisons technologiques complexes, présente une infinité de configurations de systèmes possibles.

Comment déterminer la taille et le fonctionnement optimaux de chaque partie du système pour minimiser les coûts et les émissions ? Pour répondre à cette question, nous avons combiné l’expertise en ingénierie de BG et les outils informatiques avancés développés par Sympheny, un puissant logiciel d’optimisation des systèmes énergétiques qui explore des milliers de solutions possibles et identifie les solutions optimales en quelques minutes.

Le modèle a été configuré dans Sympheny, en se basant sur plusieurs expériences réelles fondées sur les projets de BG. Parmi d’autres projets multi-énergies, sur l’hydrogène, le stockage énergétique et la mobilité décarbonée, BG a réalisé une étude de faisabilité pour décarboniser la flotte de 1 000 véhicules d’une région française, y compris en ce qui concerne l’hydrogène pour la mobilité lourde. BG a également contribué à l’un des rares projets en cours de production d’hydrogène en France, une antenne distante alimentée par l’énergie solaire, avec une batterie et un stockage d’énergie à base d’hydrogène.

Description de l’étude de cas

L’étude de cas comprend deux sites. Le premier site est un hall industriel avec 20 000 m2 de surface de toit disponible pour une installation photovoltaïque, et une flotte de 200 camions diesel longue distance. L’hydrogène est produit à l’aide de l’énergie solaire du site. Une batterie alimentée par l’énergie renouvelable augmente les heures de fonctionnement de l’électrolyseur. L’hydrogène est stocké à 700 bars dans des réservoirs à haute pression reliés à une station de ravitaillement en hydrogène. Une partie de la flotte de camions est rénovée pour fonctionner à l’hydrogène.

Le deuxième site est résidentiel, situé non loin du site industriel, afin de profiter de la chaleur résiduelle de la production d’hydrogène. Il s’agit d’une solution intrasectorielle intéressante pour accroître la viabilité économique de la production d’hydrogène.

Au total, le système multi-énergies pris en compte se compose de 8 candidats technologiques répartis sur deux sites reliés par un réseau de chauffage local, comme le montre la figure 1.

 

Figure 1 Description du site de l’étude de cas (illustration créée par l’équipe Sympheny)

Résultats

Le logiciel de Sympheny fournit différents graphiques et illustrations qui facilitent la navigation dans les résultats de l’optimisation. Les résultats montrent plusieurs configurations optimales avec un compromis clair entre les coûts et les émissions. La figure 2 montre plusieurs solutions optimales allant de la plus économiquement viable à la plus respectueuse de l’environnement. Le coût et les émissions de la solution de référence, une configuration à base de combustibles fossiles uniquement, n’apparaissent pas sur le front de Pareto, car à la fois les coûts et les émissions sont plus élevés.

Figure 2 Coûts et performances en matière d’émissions de six variantes de conception de systèmes ainsi que du système de référence (baseline) à des fins de comparaison. Le système de référence utilise 100 % de ressources fossiles, à savoir des camions diesel, des chaudières à mazout et l’électricité du réseau. (illustration créée par l’équipe Sympheny)

Conclusion

Nous avons démontré comment la collaboration entre BG et Sympheny a permis de s’attaquer à un problème émergeant de manière efficace en incorporant de nouvelles solutions avec une expertise réelle de plusieurs décennies dans les domaines de l’ingénierie et des solutions de haute technologie.

Malgré les coûts d’investissement actuellement élevés pour les systèmes à hydrogène, le marché évolue plus rapidement que jamais grâce aux financements publics et aux promoteurs privés. C’est pourquoi BG a travaillé activement sur des projets liés à l’hydrogène au cours de la dernière décennie, développant des compétences et relations précieuses pour décarboniser notre économie.