The future of hydrogen storage technologies in electrical networks

La nécessité de réduire les émissions de carbone et d’intégrer les énergies renouvelables dans nos réseaux électriques souligne l’importance du stockage d’énergie. Les énergies renouvelables, comme le solaire et l’éolien, sont intermittentes. Pour un approvisionnement stable, des solutions de stockage à grande échelle sont indispensables pour compenser ces variations. Le stockage d’énergie est essentiel pour la stabilité du réseau et l’utilisation optimale des énergies propres.

L’hydrogène se présente comme une solution prometteuse pour répondre au besoin de stockage d’énergie. Il offre une densité énergétique massique élevée et une grande flexibilité d’utilisation, ce qui en fait une solution polyvalente capable d’alimenter diverses applications, des réseaux électriques aux transports et à l’industrie. La vision d’une “économie de l’hydrogène” est de plus en plus perçue comme une voie viable vers un avenir énergétique décarboné. Le stockage d’hydrogène est un élément central de cette économie.

Technologies actuelles de stockage d’hydrogène : un aperçu

Le stockage de l’hydrogène représente un défi technologique majeur, devant être sûr, efficace et économique. Diverses approches sont explorées, chacune avec ses avantages et ses inconvénients. Ces approches se divisent en deux catégories : le stockage physique et le stockage chimique. Comprendre les forces et faiblesses est essentiel pour identifier les voies les plus prometteuses. L’objectif est de développer des solutions qui répondent aux besoins spécifiques des réseaux électriques, en tenant compte des contraintes économiques et environnementales.

Stockage physique de l’hydrogène

Le stockage physique de l’hydrogène consiste à le contenir sous forme gazeuse comprimée ou liquide cryogénique. Chaque méthode utilise des procédés physiques pour conserver l’hydrogène.

Stockage gazeux comprimé

Le stockage gazeux comprimé est la méthode la plus mature. Elle consiste à comprimer l’hydrogène à des pressions élevées (350 ou 700 bars) et à le stocker dans des réservoirs haute pression, souvent en acier, aluminium ou matériaux composites. Cette technique est simple et peu coûteuse, mais sa densité énergétique volumique est limitée. Un des principaux défis est la sécurité, en raison des risques liés à la haute pression. Les normes de sécurité définissent les exigences pour la conception, la fabrication et l’exploitation des réservoirs à hydrogène comprimé. Des normes plus strictes peuvent augmenter les coûts de production, mais aussi améliorer la sécurité et la performance des réservoirs.

Stockage cryogénique (hydrogène liquide)

Le stockage cryogénique consiste à refroidir l’hydrogène à des températures extrêmement basses (-253°C) pour le liquéfier. L’hydrogène liquide a une densité énergétique volumique plus élevée que l’hydrogène gazeux comprimé. Cependant, la liquéfaction de l’hydrogène est un processus énergivore. De plus, l’hydrogène liquide s’évapore naturellement, ce qui entraîne des pertes. Pour minimiser les pertes par évaporation, des cryoréfrigérateurs et une isolation thermique performante sont nécessaires. La recherche dans ce domaine vise à ouvrir de nouvelles perspectives pour le stockage d’hydrogène liquide à grande échelle.

Stockage chimique de l’hydrogène

Le stockage chimique de l’hydrogène consiste à lier l’hydrogène à d’autres matériaux, tels que des hydrures métalliques, des matériaux poreux ou des transporteurs d’hydrogène liquide organique (LOHC). Cette approche permet de stocker l’hydrogène de manière plus dense et plus sûre que le stockage physique.

Hydrures métalliques

Les hydrures métalliques sont des composés qui absorbent et désorbent l’hydrogène de manière réversible. Lorsqu’ils sont exposés à l’hydrogène gazeux, ils absorbent l’hydrogène, formant un hydrure métallique. Lorsqu’ils sont chauffés, ils libèrent l’hydrogène. Les hydrures métalliques offrent une densité énergétique volumique élevée et sont relativement sûrs, car l’hydrogène est stocké à basse pression. Cependant, ils sont souvent lourds, leur cinétique d’absorption et de désorption est lente et leur coût est élevé. Les hydrures complexes présentent un potentiel intéressant pour le stockage d’hydrogène réversible.

Matériaux poreux (MOFs, COFs)

Les matériaux poreux, tels que les Metal-Organic Frameworks (MOFs) et les Covalent-Organic Frameworks (COFs), sont des structures cristallines avec une grande surface spécifique. Ils peuvent adsorber l’hydrogène dans leurs pores. Les MOFs et les COFs offrent un potentiel de sélectivité, ce qui signifie qu’ils peuvent adsorber l’hydrogène de manière préférentielle par rapport à d’autres gaz. Cependant, leur capacité d’adsorption est limitée à température ambiante. Pour améliorer l’adsorption d’hydrogène, les MOFs et les COFs peuvent être fonctionnalisés avec des groupes chimiques qui interagissent fortement avec l’hydrogène.

Transporteurs d’hydrogène liquide organique (LOHC)

Les transporteurs d’hydrogène liquide organique (LOHC) sont des composés organiques qui peuvent absorber et libérer l’hydrogène par des réactions d’hydrogénation et de déshydrogénation. Lorsqu’ils sont hydrogénés, ils absorbent l’hydrogène, formant un LOHC hydrogéné. Lorsqu’ils sont déshydrogénés, ils libèrent l’hydrogène. Les LOHCs offrent plusieurs avantages : ils sont liquides à température ambiante, ce qui facilite leur transport et leur stockage ; ils peuvent être transportés dans l’infrastructure existante pour les combustibles liquides; et ils sont relativement sûrs. Le dibenzyltoluène est un exemple de LOHC couramment utilisé. Cependant, l’hydrogénation et la déshydrogénation des LOHCs sont des processus coûteux et énergivores. De plus, la libération de l’hydrogène nécessite de l’énergie, ce qui réduit l’efficacité globale du système.

Enjeux et avenir de l’intégration dans les réseaux électriques

L’intégration du stockage d’hydrogène dans les réseaux électriques représente une opportunité pour améliorer la flexibilité, la résilience et la durabilité de ces réseaux. Cependant, cette intégration soulève aussi des défis techniques, économiques et réglementaires. Surmonter ces défis est essentiel pour exploiter pleinement le potentiel de l’hydrogène dans la transition vers un système énergétique décarboné.

Défis techniques

Plusieurs défis techniques doivent être relevés pour permettre l’intégration à grande échelle du stockage d’hydrogène dans les réseaux électriques.

• **Efficacité Énergétique:** Le cycle complet de l’hydrogène implique des pertes d’énergie à chaque étape, de la production à l’utilisation. Il est impératif d’améliorer l’efficacité de chaque étape, notamment la production par électrolyse, la compression, le stockage, le transport et l’utilisation dans les piles à combustible ou les turbines à gaz.
• **Coût:** Le coût des technologies de stockage d’hydrogène est encore élevé, ce qui freine leur déploiement. Il est nécessaire de réduire les coûts de production des électrolyseurs, des réservoirs de stockage, des compresseurs et des piles à combustible. L’augmentation de la production, l’innovation technologique et l’utilisation de matériaux moins coûteux peuvent contribuer à cette réduction.
• **Durabilité et Performance:** La durée de vie des technologies de stockage d’hydrogène doit être suffisamment longue pour assurer leur rentabilité, tout en garantissant leur performance dans des conditions variables. La maintenance régulière et le contrôle qualité sont essentiels.
• **Sécurité:** La manipulation et le stockage de l’hydrogène présentent des risques liés à son inflammabilité et à sa capacité de fuite. Il est crucial de mettre en place des normes de sécurité rigoureuses et de former le personnel à la manipulation de l’hydrogène.

Opportunités de l’hydrogène

Malgré ces défis, l’intégration du stockage d’hydrogène offre des atouts considérables pour les réseaux électriques.

• **Flexibilité du Réseau:** Le stockage d’hydrogène permet de stocker l’excédent d’énergie renouvelable et de la restituer en cas de besoin, contribuant ainsi à stabiliser le réseau et réduire les congestions. L’hydrogène peut aussi fournir des services de réglage de fréquence.
• **Décarbonisation des Secteurs:** L’hydrogène peut être utilisé comme carburant ou matière première, contribuant ainsi à réduire les émissions de gaz à effet de serre dans les transports et l’industrie.
• **Production d’Hydrogène Vert:** L’hydrogène vert, produit par électrolyse de l’eau en utilisant des énergies renouvelables, est une solution durable. L’intégration de l’électrolyse dans les réseaux électriques permet de maximiser l’utilisation des énergies renouvelables.
• **Micro-réseaux Autonomes:** Le stockage d’hydrogène peut alimenter des micro-réseaux autonomes dans les zones isolées, offrant une solution pour l’accès à l’énergie et réduisant la dépendance aux combustibles fossiles.

Solutions d’avenir

L’avenir du stockage d’hydrogène dans les réseaux électriques est influencé par des avancées technologiques. L’exploration de nouveaux matériaux, l’amélioration des technologies d’électrolyse et l’intégration de l’intelligence artificielle ouvrent la voie à des solutions plus efficaces, durables et rentables.

Matériaux de stockage avancés

La recherche porte sur le développement de nouveaux matériaux, tels que les hydrures complexes, les MOFs, les COFs, les nanotubes de carbone et le graphène. Ces matériaux offrent le potentiel d’une densité énergétique volumique plus élevée, d’une cinétique plus rapide et d’un coût plus faible. La fonctionnalisation des MOFs et des COFs est une approche prometteuse pour améliorer l’adsorption d’hydrogène.

Innovations dans l’électrolyse

Le développement de l’électrolyse à haute température et de l’électrolyse anionique représente une avancée dans la production d’hydrogène vert. Ces technologies offrent le potentiel d’une efficacité plus élevée et d’un coût plus faible. L’amélioration de la durabilité des électrolyseurs est aussi un axe important.

Intelligence artificielle et apprentissage automatique

L’intégration de l’intelligence artificielle (IA) et de l’apprentissage automatique (machine learning) permet d’optimiser la gestion et le contrôle des systèmes de stockage d’hydrogène. L’IA peut être utilisée pour prédire la production d’énergie renouvelable et la demande en hydrogène, optimiser les paramètres de fonctionnement des électrolyseurs et des piles à combustible et détecter les anomalies.

Power-to-gas-to-power (P2G2P)

Le concept de Power-to-Gas-to-Power (P2G2P) est important pour la flexibilité du réseau. Il consiste à convertir l’électricité excédentaire en hydrogène par électrolyse (Power-to-Gas), à stocker l’hydrogène et à le reconvertir en électricité en cas de besoin (Gas-to-Power). Des projets pilotes P2G2P sont en cours. L’analyse des différentes configurations P2G2P est essentielle pour évaluer leur viabilité.

Synergie entre stockage d’hydrogène et réseaux de chaleur

L’intégration du stockage d’hydrogène avec les réseaux de chaleur offre des avantages en termes d’efficacité énergétique. La chaleur générée par l’électrolyse et les piles à combustible peut être utilisée pour alimenter les réseaux de chaleur, réduisant ainsi les pertes d’énergie.

Un aspect souvent négligé est l’analyse du cycle de vie complet des systèmes de stockage d’hydrogène, en considérant l’empreinte carbone de la fabrication des composants, du transport, de l’exploitation et du démantèlement. Une approche holistique permet d’identifier les points faibles et de développer des solutions plus durables. L’impact de l’utilisation de métaux rares dans les électrolyseurs et les piles à combustible doit également être pris en compte.

Les coûts du stockage d’hydrogène ne se limitent pas à l’investissement initial. Les coûts d’exploitation et de maintenance, y compris le remplacement des composants et la consommation d’énergie, doivent être intégrés dans une analyse économique approfondie. Une attention particulière doit être accordée à la durée de vie des systèmes et à leur rendement à long terme. L’intégration de modèles prédictifs basés sur l’IA peut contribuer à optimiser la maintenance et à réduire les coûts d’exploitation.

L’adoption à grande échelle du stockage d’hydrogène nécessite un cadre réglementaire clair et stable. Les normes de sécurité doivent être harmonisées au niveau international pour faciliter le commerce et l’interopérabilité des systèmes. Des incitations financières, telles que des crédits d’impôt et des subventions, peuvent encourager les investissements dans les technologies de stockage d’hydrogène. La mise en place de marchés de l’hydrogène transparents et compétitifs est également essentielle pour assurer la rentabilité des projets.

Le soutien politique

Un cadre réglementaire et des politiques de soutien clairs sont essentiels pour encourager le développement et le déploiement des technologies de stockage d’hydrogène. Des normes de sécurité rigoureuses, des certifications fiables et des incitations financières attractives sont nécessaires pour créer un environnement favorable à l’investissement et à l’innovation. La collaboration entre les acteurs du secteur est cruciale pour assurer l’intégration de l’hydrogène dans les réseaux électriques.

• **Normes de Sécurité:** Les normes définissent les exigences pour la production, le stockage, le transport et l’utilisation de l’hydrogène. La certification est essentielle.
• **Soutien Financier:** Les subventions, les crédits d’impôt encouragent le développement des technologies de stockage d’hydrogène.
• **Cadre Réglementaire:** Un cadre réglementaire clair définit les règles pour l’accès au réseau, la tarification et la sécurité.
• **Collaboration:** La collaboration est essentielle pour assurer l’intégration de l’hydrogène dans les réseaux électriques.

Vers un avenir énergétique propre

Les technologies de stockage d’hydrogène évoluent rapidement et offrent un potentiel important pour transformer nos réseaux électriques et contribuer à un avenir énergétique plus durable. Les défis doivent être relevés avec détermination, mais les opportunités sont immenses. L’investissement dans la recherche, la mise en place de politiques de soutien et la collaboration sont essentiels pour exploiter le potentiel de l’hydrogène. Le stockage d’hydrogène est crucial pour la transition énergétique.