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Pour un système photovoltaïque autonome avec une charge de 12 kW utilisée 20h/24, il est nécessaire de stocker l’énergie pendant les périodes sans soleil. Le stockage sous forme d’hydrogène (HESS) est-il plus intéressant que celui par batterie (BESS) ?

PRINCIPE DU STOCKAGE

La production et le stockage d’énergie à partir d’hydrogène reposent sur une réaction chimique simple et réversible :

H₂O ⇌ H₂ + 1/2 O₂

“L’eau sera un jour employée comme combustible, que l’hydrogène et l’oxygène, qui la constituent, utilisés isolément ou simultanément, fourniront une source de chaleur et de lumière inépuisables et d’une intensité que la houille ne saurait avoir.” - L'Île mystérieuse, Jules Verne

Pour illustrer cette réaction, le schéma (fig. 1) rappelle le principe d’une cellule à hydrogène: des électrons sont libérés lors de la réaction entre Hydrogène et oxygène.

Le principe de stockage sera donc divisé en trois parties : un électrolyseur pour la création de l’hydrogène à l’aide d’une source d’énergie, le stockage sous forme de gaz et la restitution d’énergie par une pile à combustible (un empilement de plusieurs cellules).

fig 1 - fuel cell

Les techniques les plus matures pour réaliser ces piles sont basées sur des solutions alcalines ou des systèmes PEM (membrane d’échange de protons) que nous allons utiliser pour notre système.

Deux composants indispensables à cette pile : électrolyte (ou membrane dans le cas PEM) et le catalyseur (qui facilite la réaction entre l'hydrogène et l'oxygène), se dégradent au fil du temps. Il faut donc les remplacer périodiquement pour maintenir une bonne efficacité du système.

Le rendement énergétique de l’opération de production d’énergie électrique est en théorie proche de 85 %, mais il comporte une partie importante de perte d’énergie par dissipation de chaleur. Les systèmes actuels atteignent donc 40-60 % d'efficacité maximale.

Cela signifie que, si on prend en compte le système complet transformant de l'énergie solaire en gaz, puis le gaz en électricité, le rendement total sera de 30 % uniquement. À titre de comparaison, je rappelle qu'un système de combustion de pétrole a une efficacité de 30 à 40 %.

ESTIMATION

Pour permettre de dimensionner le système, nous pouvons prendre les valeurs éditées par l'Observatoire européen de l'hydrogène :

L'énergie nécessaire pour produire 1kg d’hydrogène : 52,4 kWh
Et l’estimation : 1 kg d’hydrogène produit 18 kWh d’énergie électrique.

Note : on retrouve également dans ces chiffres le rendement de 30 % en efficacité totale du système : 18/52.4 = 30 %

APPLICATION ET DIMENSION DU SYSTÈME

Prenons un système autonome avec une charge électrique de 12 kW - 20h/jour, toute l’énergie provenant de panneaux solaires dans une région avec 3.5h de soleil.

La charge électrique est de 12 kW x 20h = 240 kWh, soit environ 240 / 18 = 14 kg d’hydrogène quotidien nécessaires.

Nous pouvons choisir la taille du stockage de 7 jours en fonction des statistiques de l'IEEE pour couvrir les jours sans soleil : 14 kg x 7 jours = environ 100 kg d’hydrogène nécessaires, soit 5 bouteilles de 20 kg.

L’électrolyseur sera dimensionné pour atteindre une production quotidienne de 14 kg d’hydrogène.
Avec 3.5 h de soleil quotidien : 14 / 3.5 = 4 à 5 kg d’hydrogène par heure doivent être produits.

L’électrolyseur nécessaire pour une telle opération devra donc avoir une puissance nominale estimée à : 5 x 52.4 = 260 kW.

À titre d’information, cela correspond à une production de gaz de 50 Nm³/h.
Rappel : le poids d’un volume d’hydrogène de 1 Nm³ est de 0.08988 kg.

Les panneaux solaires sont dimensionnés en fonction de la charge journalière et du nombre d’heures de soleil plein : 52,4 kWh/kg x 14 kg / 3.5 h = 210 kWc.

Les offres reçues pour un test système, incluant 210 kWc de panneaux solaires et un électrolyseur de 260 kW, sont proches de 800 000 EUR.
Une estimation rapide (sans compter les coûts de remplacement des composants) pour une utilisation du système sur 10 ans (80 000h) ramène le coût du kg d’hydrogène de ce système à : 12.5 EUR/kg d’hydrogène.
Détail :
10 x 365 x 3.5 x 5 = 63 875 kg d’hydrogène produit
800 000 EUR / 63 875 kg = 12.5 EUR/kg d’hydrogène.

COMPARAISON

Selon le rapport de l'Observatoire européen de l'hydrogène ou le site de l'IEA (voir références ci-dessous), le coût de l’hydrogène (LCOH) est compris entre 5 et 12 EUR/kg.

Les offres reçues pour notre système sont donc élevées et il sera certainement possible de pousser le système au-delà des 10 ans estimés pour le premier calcul.

Prenons donc une option favorable avec une optimisation du système et des négociations de prix : le coût de l’électricité de notre système pour produire les 210 kWh à partir d’hydrogène sera alors entre 0.27 et 0.67 EUR/kWh.
Détail :
5 (EUR/kg) / 18 (kWh/kg) = 0.277 EUR/kWh
12 (EUR/kg) / 18 (kWh/kg) = 0.667 EUR/kWh

Ce coût est à comparer au coût moyen de l’électricité (source : internet janvier 2025 fig. 2) et aux coûts du photovoltaïque ainsi que du stockage :

LCOE du PV : 0.041 à 0.144 EUR/kWh (source Fraunhofer)
LCOS coût de stockage : BESS batteries LFP de 0.042 EUR/kWh (source Infolink).

fig 2 - cout electricité jan 2025

En conclusion, la production d’électricité par stockage d’hydrogène ne sera donc pas directement compétitive face aux systèmes de batteries, mais c'est sans compter l'avantage exothermique de la réaction de transformation d’hydrogène en eau.

L'efficacité totale du système peut atteindre jusqu'à 85 % en recyclant la chaleur dissipée. De plus, l’hydrogène permet également de stocker l’énergie sur de plus longues durées.

Une étude sur un système hydrogène complet, en prenant en compte les apports en chaleur des réactions et des durées de stockage plus longues sera donc à effectuer.

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