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PRINCIPE DU POWER-TO-GAS
Principe du power-to-gaz
Le power-to-gaz est un concept assez simple : l’électricité produite en surplus à un moment donné est employée pour fabriquer du gaz, souvent de l’hydrogène, qui pourra être utilisé comme nouvelle source d’énergie. Ce concept a le grand avantage d’être un moyen de stockage à long terme que seuls les barrages permettaient jusqu’à récemment .Plus concrètement, le surplus de production est utilisé dans un électrolyseur qui permet de produire de l’hydrogène à partir d’eau. L’hydrogène créé peut notamment être utilisé tel quel pour des piles à combustible, injecté directement dans le réseau de gaz naturel, mais aussi transformé en gaz de synthèse.
Généralités sur l’hydrogène
L’hydrogène est l’élément le plus simple que l’on trouve sur terre, se composant d’un seul proton et d’un seul électron. Malgré son abondance dans l’univers, l’hydrogène ne se trouve quasiment pas sous sa simple forme et est toujours combiné avec d’autres éléments.
La principale qualité de ce gaz est sa forte densité massique d’énergie. En effet, cette dernière est bien supérieure aux autres combustibles fréquemment utilisés .
Malheureusement, sa légèreté et sa faible densité (0.0899 par rapport à l’air) représentent un inconvénient majeur notamment pour le stockage. En effet, un plus gros volume sera nécessaire pour stocker un kilogramme. Malgré tout, l’hydrogène représente un vecteur d’énergie important pour le futur grâce à sa capacité de stockage. De plus, s’il est produit à partir de courant vert, son empreinte carbone est quasiment nulle.
Production d’hydrogène
Comme dit précédemment, l’hydrogène est obtenu grâce au processus d’électrolyse. Ce dernier permet de séparer l’oxygène et l’hydrogène de l’eau grâce à la réaction d’oxydoréduction suivante :
2𝐻2𝑂 [𝑙] + é𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑒 → 2𝐻2 [𝑔] + 𝑂2 [𝑔]
L’énergie à fournir est composée de 237.2 kJ/mol d’électricité + 48.6 kJ/mol de chaleur . Un électrolyseur se compose d’un électrolyte qui permet le transfert d’ions, de deux électrodes (anode et cathode) et d’une membrane (ou diaphragme).
Il faut atteindre une tension minimale de 1.227 V dans des conditions standards de température et de pression pour activer la décomposition de l’eau .
Plusieurs paramètres tels que la température, la pression ou les différents matériaux utilisés influencent le rendement de l’électrolyse. Deux technologies d’électrolyseurs sont actuellement assez avancées pour des applications industrielles (alcalin et PEM). Si l’électrolyseur alcalin est composée d’une membrane permettant le passage des ions OH-, la membrane de l’électrolyseur PEM laisse circuler les ions H+. Les récents projets power-to-gaz s’orientent le plus souvent vers les électrolyseurs PEM qui, malgré leur retard de développement, présentent l’avantage d’avoir une grande plage de fonctionnement et un temps de réponse court.
Avantages et inconvénients du power-to-gaz
Les avantages du power-to-gaz sont nombreux. Comme vu précédemment, l’hydrogène permet un stockage saisonnier quasiment impossible avec les batteries. De plus, avec les nombreuses utilisations envisageables de l’hydrogène, il est à la fois possible de valoriser l’excédent de production électrique en produisant cet hydrogène, d’équilibrer les réseaux électriques en lissant les pics de productions, de décarboner le réseau de gaz en utilisant moins de gaz naturel et donc en rejetant moins de CO2, ainsi que de diminuer la dépendance énergétique à l’étranger.
Malgré tout, le power-to-gas comporte aussi quelques inconvénients non négligeables. Nous le verrons dans ce rapport, son coût reste encore important et la rentabilité des projets n’est pas atteinte dans un temps raisonnable. De plus, la faible densité de l’hydrogène entraine des volumes de stockage considérable, toute la logistique en est complexifiée. Pour finir, l’hydrogène souffre encore d’une mauvaise image de sécurité et peu de personnes ont une réelle connaissance des technologies y relatives.
Injection dans le réseau de gaz naturel
L’application la plus simple est l’injection dans le réseau de gaz naturel. L’hydrogène peut soit être injecté directement dans le réseau, soit être préalablement transformé en gaz de synthèse par méthanation.
Injection directe
L’injection directe est certainement l’application la plus simple à mettre en place. Néanmoins, la pureté du gaz doit être semblable au gaz naturel et une limite d’injection est à respecter.
En Suisse, la G18 , éditée par la Société suisse de l’Industrie du Gaz et des Eaux (SSIGE), fixe la limite d’injection d’hydrogène dans le réseau de gaz naturel à 2 % (en volume).
Cette limite varie fortement d’un pays à l’autre (par exemple 20 % en Pologne, 6% en France), ce qui est étonnant. Contactée durant ce projet, la SSIGE indique à ce sujet « Ce sont des choix liés à la sensibilité des consommateurs. Une forte présence de l’hydrogène modifie la caractéristique du gaz naturel et par conséquent les systèmes consommateurs doivent être ajustés. D’autre part, le gaz naturel est aussi utilisé comme carburant et dans ce domaine, ce sont les fabricants automobiles qui fixent les règles. La Suisse a choisi la voie de la prudence. »
Néanmoins, des projets, tel que GRHYD se mettent en place pour analyser concrètement l’effet du H2 dans l’ensemble du système. Dans ce dernier, il est prévu de monter jusqu’à 20 % d’hydrogène en volume dans le réseau de gaz. Les conclusions de ces projets montreront certainement qu’une limite plus élevée est admissible et la législation suisse devrait petit à petit se modifier pour augmenter le potentiel d’injection. La SSIGE cite la DVGW (Allemagne) qui estime qu’une part de 10 % serait acceptable.
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Table des matières
1. INTRODUCTION
2. LOCALISATION DU PROJET
3. TECHNOLOGIE
3.1 PRINCIPE DU POWER-TO-GAS
3.2 GENERALITES SUR L’HYDROGENE
3.3 PRODUCTION D’HYDROGÈNE
3.4 AVANTAGES ET INCONVÉNIENTS DU POWER-TO-GAS
4. DEFINITION DE LA ZONE D’ETUDE
4.1 COMMUNE DE BRIG-GLIS
4.2 RESEAU BRIG-GLIS/RIED-BRIG
4.3 CHOIX DU RESEAU GLOBAL
5. ANALYSE DE LA SITUATION ACTUELLE
5.1 PRODUCTION RENOUVELABLE
5.2 CONSOMMATION
5.3 BILAN
6. UTILISATION DE L’HYDROGÈNE PRODUIT
6.1 INJECTION DANS LE RÉSEAU DE GAZ NATUREL
6.2 APPLICATIONS AVEC STOCKAGE
6.3 UTILISATIONS ANNEXES
7. ÉTUDE ÉCONOMIQUE
7.1 SCÉNARIO INJECTION DIRECTE DANS LE RÉSEAU DE GAZ NATUREL SANS STOCKAGE
7.2 SCÉNARIO STATION-SERVICE H2
7.3 SCÉNARIO PILE À COMBUSTIBLE POUR RÉSEAU D’ANERGIE
7.4 SCÉNARIO REVENTE DE L’HYDROGÈNE ET DE L’OXYGÈNE
8. POTENTIEL DE PRODUCTION H2 À L’HORIZON 2035
8.1 PRODUCTIONS RENOUVELABLES
8.2 BILAN
9. RECOMMANDATIONS POUR LA MISE EN PLACE D’UN SYSTÈME
10. CONCLUSION
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