Approvisionnement Energétique de la Loire Atlantique Synthèse de la séance de travail du 6 avril 2006
Première partie - Présentation
Th2/6.2
L’hydrogène, un vecteur énergétique stockable Séance de travail avec Monsieur Christian TRAVIER, Chef de projet « Mission Hydrogène » au Prin.a (Pôle de recherches et d’innovation à Nantes Atlantique)
1.1 –L’hydrogène : un vecteur énergétique1 L’hydrogène est l’un des éléments les plus abondants de la planète, mais n’existe pas à l’état naturel. Il trouve sa source dans l’eau et dans les combustibles fossiles, notamment le gaz naturel. L’hydrogène est la molécule la plus énergétique (39.4 kWh/kg, soit 5 fois le charbon !). C’est un gaz très léger (il se diffuse très rapidement dans l’air), ce qui lui garantit un certain degré de sécurité, même si son inflammabilité est plus importante que celle du gaz naturel. Sa combustion n’est ni polluante, ni toxique, ni émettrice de gaz à effet de serre. L’hydrogène est une énergie secondaire ou intermédiaire, au même titre que l’électricité, les produits pétroliers et la vapeur. C’est un vecteur énergétique qui permet de transporter une certaine quantité d’énergie d’un lieu de production à un lieu d’utilisation. Les vecteurs énergétiques2 :
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Source : Institut Français du Pétrole, www.cea.fr Source : www.cea.fr CONSEIL DE DEVELOPPEMENT DEPARTEMENTAL 1 / 13
1.2 – La filière hydrogène L’hydrogène est produit à partir : Des énergies fossiles, pour 96%, dont 48% par le procédé de reformage du
gaz naturel, qui est le plus économique aujourd’hui (Le gaz naturel est la matière première la plus utilisée pour produire l’hydrogène.), Du phénomène de photosynthèse ou par l’utilisation de bactéries, De l’électricité issue de l’énergie nucléaire ou des énergies renouvelables,
via le procédé d’électrolyse (Ce procédé est utilisé de façon marginale, car il est actuellement nettement plus coûteux). La filière Hydrogène
Energies Fossiles
Energie nucléaire
Energies renouvelables
Gaz, charbon, pétrole…
Vaporeformage, Oxydation partielle, Reformage autothermique
96%
Hydraulique, Eolienne, solaire, Géothermique
Electrolyse, Dissociation de l’eau par cycle thermochimique
Biomasse
Production biologique d’hydrogène (microalgues…)
Transformation thermochimique et gazéification de la biomasse
4% Réseau de distribution
Stockage
Utilisé aujourd’hui comme gaz industriel…
…et demain en association avec la Pile à Combustible.
L’hydrogène est principalement transporté par pipeline (pour de très grandes quantités à transporter, c'est-à-dire plusieurs dizaines de milliers de m3/h), soit actuellement un réseau de plus de 2500 km au niveau mondial, dont environ 1500 km en Europe et 900 km aux Etats-Unis. Pour de petites et moyennes quantités, l’hydrogène se transporte en bouteilles ou par camions citernes. Air Liquide est un des principaux exploitants de ces réseaux, notamment de plus de 1100 km de canalisations du plus grand réseau du monde, celui d’Europe du Nord. CONSEIL DE DEVELOPPEMENT DEPARTEMENTAL 2 / 13
L’hydrogène peut être stocké sous forme liquide (–253°C), ou comprimé sous haute ou basse pression (350 à 700 bars). 1.3 – Le marché actuel En 2004, la consommation mondiale d’hydrogène était estimée à 50 millions de tonnes (140 millions de tep), soit environ 1.5% de la production mondiale d’énergie primaire. Consommation d’hydrogène en Europe et dans le monde3
Europe Monde
Consommation (milliards de m3/an) 69.4 550
Consommation (millions de t/an) 6.3 4 50
Aujourd’hui, l’hydrogène est un gaz essentiellement utilisé pour des applications chimiques (≈50% de la production d’hydrogène en 2004), comme gaz industriel pour la production d’ammoniac, dans le raffinage des produits pétroliers (35% de la production d’hydrogène en 2004), pour la fabrication de carburants plus propres via la désulfuration et pour la production de méthanol. Principaux marchés de l’hydrogène5
D’autres utilisations ont été effectuées dans les industries de fabrication de métaux, dans le domaine spatial, comme combustible pour les fusées, dans l’industrie du verre, et dans l’industrie agroalimentaire, pour l’hydrogénation des huiles (fabrication de différentes margarines).
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Source : AFH2 (Association Française de l’Hydrogène) Source : General Motors, mai 2004 Source : Institut Français du Pétrole (IFP) CONSEIL DE DEVELOPPEMENT DEPARTEMENTAL 3 / 13
1.4 –Les applications de demain6 L’hydrogène associé à la pile à combustible La pile à combustible permet de convertir directement de l’énergie chimique en énergie électrique et d’obtenir du courant de façon continue. La première pile à combustible a été inventée et construite en 1839. Elle a ensuite été abandonnée jusque vers les années 1960, au cours desquelles elle fut reprise et perfectionnée pour le domaine spatial. L’association de l’hydrogène à la pile à combustible est aujourd’hui mise en avant sur la scène énergétique. La pile à combustible produit de l’électricité à partir de l’hydrogène en le combinant à de l’oxygène au cours d’une réaction chimique. Le fonctionnement du système hydrogène / pile à combustible est très propre, car il ne produit que de l’eau et de la chaleur et ne consomme que des gaz. Ce système est silencieux et sans vibration, puisqu’il n’a pas d’objets en mouvement. Aujourd’hui le système hydrogène / pile à combustible est perçu comme une des principales voies du futur énergétique, notamment dans les secteurs des transports et de la production de l’électricité, qui peut s’accompagner d’une production de chaleur (cogénération). Principe de fonctionnement :
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•
La pile : deux électrodes en contact avec un électrolyte.
•
L’une des électrodes est alimentée en hydrogène et l’autre en oxygène.
•
L’oxydation de l’hydrogène produit des électrons qui sont collectés à l’anode : H2 → 2H+ + 2 e-
•
A la cathode, des électrons sont au contraire prélevés pour la réduction du carburant : 1/2 O2 + 2H+ + 2 e- → H2O
Source : Air Liquide, AFH2 (Association française de l’Hydrogène) CONSEIL DE DEVELOPPEMENT DEPARTEMENTAL 4 / 13
Transports Le système hydrogène / pile à combustible pourrait être une alternative au système classique hydrocarbures / système à combustion (moteurs, turbines…). Son rendement est supérieur à celui d’un moteur classique. Ce système permettrait ainsi une diminution de la pollution des centres urbains, une réduction des émissions de gaz à effet de serre et une amélioration de l’indépendance énergétique des pays consommateurs de pétrole. Aujourd’hui, plus de 200 véhicules particuliers et collectifs (bus) fonctionnant à l’hydrogène circulent déjà dans le monde. Environ 70 stations dans le monde permettent de ravitailler ces véhicules en hydrogène. Ces stations délivrent du gaz comprimé ou liquide, elles peuvent être mobiles ou fixe et sont dimensionnées pour la consommation de quelques bus ou d’une dizaine de véhicules. Aux Etats-Unis, la Californie est à l’initiative du « California Hydrogen Highway », infrastructure routière équipée en stations hydrogène (fonctionnant comme des stations « pompes à essence ») le long de ses principales autoroutes. Dans le cadre de cette initiative, l’objectif est d’atteindre en 2010, 170 stations installées pour une circulation de 2000 véhicules. Le Canada et le Japon sont également très avancés et perçus comme des leaders mondiaux dans ce domaine. A titre d’exemple, la société canadienne Ballard a mis en service, de 2000 à 2001, six bus à pile à combustible dans les villes de Vancouver et Chicago. Au Japon (comme aux Etats-Unis) sont en cours des tests sur les voies publiques, notamment la mise en circulation de véhicules légers à pile à combustible alimentée en hydrogène sous pression. En Europe, l’initiative CUTE (Clean Urban Transport for Europe) permet actuellement à 10 villes européennes (Allemagne, Angleterre, Portugal, Espagne, Luxembourg…) et une ville australienne de mettre en commun leurs expériences et savoir-faire pour faire circuler au quotidien des bus fonctionnant à l’hydrogène. Les premières stations-services pour alimenter des flottes de bus à pile à combustible en milieu urbain ont été mises en place en 2003. La France est actuellement absente du cadre de cette initiative.
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L’Allemagne et l’Islande sont aujourd’hui considérés comme les plus dynamiques dans le domaine en Europe. Aujourd’hui, des projets d’autoroutes de l’hydrogène sont également à l’étude en Allemagne. Quelques bus circulent occasionnellement notamment à Munich, Berlin…, mais ne sont pas pour le moment mis en service public. L’Islande a démarré son projet dans le domaine et souhaite devenir le premier pays au monde à posséder toute une économie basée sur l’hydrogène. Ce projet permettrait à l’économie indépendante du pétrole dès 2030.
islandaise
d’être
complètement
Pour les productions d’électricité et de chaleur Dans le domaine de la génération d’électricité et de la cogénération, le système hydrogène / pile à combustible peut s’appliquer dans les cas suivants : Applications stationnaires répondant aux besoins : •
•
•
De fourniture de courant pour un site isolé (exemple : une génératrice électrique portable et autonome sur des routes de campagne mal éclairées), De systèmes de secours reliés au secteur en cas de coupure de courant (exemple : une génératrice électrique stationnaire pour une antenne relais de téléphone portable) ou, De chauffages individuel et domestique (exemple : chaudières…).
Génératrice électrique stationnaire
Applications portables répondant à un besoin d’autonomie croissante des
appareils électroniques mobiles : •
Micro applications sur des téléphones et ordinateurs portables pour une autonomie de 20 heures, au lieu de 2 heures avec une batterie.
Téléphone portable
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« Time to market » : applications de l’hydrogène-énergie et usages Estimation7 de l'introduction des applications de l'hydrogène-énergie dans différents secteurs d'usage8 Marché de masse
Portable
Transport
Stationnaire
La transition vers un marché de masse des systèmes hydrogène / pile à combustible commencerait par les applications portables, par le marché de niches pour le transport (flotte captive, par exemple : bus, taxis…), par les applications stationnaires, avant que ne se développe le marché des véhicules individuels. La généralisation du système hydrogène / pile à combustible n’est pas attendu avant au moins 2020. Les PEMFC9 et le marché de masse : l’approche d’Air Liquide
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Source : Etude du réseau européen HyNet « Towards a European Hydrogen Energy Roadmap, Executive Report », 12 mai 2004 9
Les PEMFC (Proton Exchange Membrane fuel Cell) sont actuellement le type de pile le plus étudié. Leurs applications sont multiples autant dans le domaine automobile que dans le domaine stationnaire et portable. CONSEIL DE DEVELOPPEMENT DEPARTEMENTAL 7 / 13
1.5 – Energie hydrogène : les défis du futur Plusieurs défis se posent à la filière hydrogène : •
La production d’hydrogène sans carbone : -
-
•
Des piles à combustible disponibles à des coûts abordables : -
•
En effet quand l'hydrogène provient de sources renouvelables, l’énergie résultante est parfaitement propre. Pour l’instant, c’est le gaz naturel qui est essentiellement à l’origine de la production d’hydrogène et la seule énergie qui permet une production à moindre coût. La production d’hydrogène à partir d’hydrocarbures, pourrait également être une bonne solution, mais seulement dans le cas où leurs émissions de CO2 sont séquestrées.
Aujourd’hui le kW d’une pile à combustible coûte entre 6000 et 8000 euros. Ces coûts sont fortement liés à la complexité des procédés de production des piles à combustible et à la courbe d’apprentissage. Seule une production de masse (et en particulier dans le secteur du transport) permettrait de faire descendre les coûts à 50 euros le kW.
La création d’un réseau de distribution vers les stations-hydrogène et le développement de meilleures voies de stockage en termes de coûts énergétiques pour la station-hydrogène et de poids, coûts et sécurité pour le véhicule : -
Les solutions passeront donc par un fort développement technique et d’importants investissements.
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Deuxième partie - Débat 2.1 – Energie - Hydrogène : les 4 atouts de la Loire Atlantique Atout 1 : Absence de concurrence à l’Ouest de la France Le développement de l’hydrogène en France
Bien que la France ait pris du retard vis-à-vis du développement de la filière hydrogène, plusieurs initiatives ont été engagées en termes de recherche et développement industriel notamment : • • • •
à Grenoble (où se trouvent des laboratoires du CEA et d’Air Liquide et se développent de nombreuses activités industrielles), à l’est de la France (où de nombreuses actions on été entreprises dans l’industrie automobile (PSA)), en Ile de France, à Tours (où se trouve un des labos du CEA).
Étant donné la faiblesse d’initiatives déterminantes en matière de développement de filière hydrogène, il y a aujourd’hui une opportunité technologique et économique à saisir à l’ouest de la France. Atout 2 : Un potentiel d’énergies renouvelables Aujourd’hui l’hydrogène est produit pour 96 % à partir d’énergies fossiles (épuisables et émettrices de gaz à effet de serre). Les potentiels de développement de la biomasse (liée aux activités agricoles et à l’industrie de transformation du bois du territoire), de l’éolien ou de l’énergie de la houle dans le Département et la Région, permettraient d’évoluer vers une production d’hydrogène plus propre.
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Opportunités de développement de la production d’hydrogène d’origine renouvelable en Loire Atlantique
Aujourd’hui
Demain ? Après-demain ?
Projet de développement de la biomasse Production d’hydrogène par gazéification ou reformage de biocarburants
Projets de développement de l’éolien
Projet de développement de l’énergie de la mer
Production d’hydrogène par électrolyse
L’hydrogène permet de délivrer de l’électricité en continu, tandis que les énergies renouvelables fournissent de l’électricité de façon intermittente : ces deux types d’énergies sont donc complémentaires. Atout 3 : Des infrastructures industrielles déterminantes Le secteur industriel et énergétique est très développé en Loire-Atlantique, avec notamment les présences sur le territoire, de la raffinerie de Donges qui assure 10 % du raffinage français, du terminal gazier « gaz de France » et du Port autonome, dont le trafic est à 70 % lié au secteur énergétique.
Simulation d’un scénario de transition d’activité énergétique Aujourd’hui Demain ? Après-demain ?
Raffinerie de Donges Développement de la production d’hydrogène par reformage
Terminal gazier Développement progressif d’un terminal hydrogénier, (fonction de l’épuisement du gaz naturel)
Port Autonome Maintien des activités portuaires à long terme (indépendamment du déclin des énergies fossiles)
Ces atouts peuvent favoriser le développement futur de l’hydrogène comme une opportunité pour la Loire-Atlantique (compte tenu de l’épuisement progressif prévisible des énergies fossiles dans le courant des prochaines décennies). Le développement des activités liées à la filière hydrogène pourrait également maintenir et créer des emplois à long terme.
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Atout 4 : Des compétences fortes en recherche Le dynamisme de la Loire-Atlantique en matière de recherche sur le domaine de l’hydrogène est aujourd’hui avéré. En effet, laboratoires et écoles du Département (près de 50 chercheurs et un bon nombre de doctorants) se répartissent de nombreux sujets de recherche liés à l’hydrogène.
Sujets de recherche des écoles et laboratoires en Loire-Atlantique
Ecole Centrale de Nantes (ECN)
Institut Catholique d’Arts et Métiers (ICAM)
Institut des Matériaux de Nantes (IMN)
Laboratoi re de Génie des Matériaux et Procédés Associés (LGMPA)
Ecole des Mines de Nantes (EMN)
Institut de l’Homme et de la Technologie (IHT)11
Audencia
Laboratoire de Génie des ProcédésEnvironnement Agroalimentaire (GEPEA)12
Laboratoire de Thermocinétique (LTN)13
Production d’H2 par microalgues (collaboration avec le CEA)
Vaporeformage
Génie des procédés
Gestion de la chaleur et écoulements dans les PEMFC14
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Energie de la mer pour couplage avec électrolyse
Electrolyte pour piles
Matériaux composites utiles pour les réservoirs de stockage de l’H2
Transport
Logistique de transport des matières dangereuses Modélisation et aide à la décision pour les politiques énergétiques locales Sciences humaines et sociales pour étudier l’acceptation des nouvelles technologies par les citoyens
Stockage
Production
Management
2.2 – Hydrogène et Pays de la Loire : un positionnement européen ? Trois porteurs de projets, le Prin.a, Pôle de recherche et d’innovation à Nantes, le groupement des CCI de Nantes- Saint Nazaire et Synervia, association de transfert de technologie, se sont associés pour mener la Mission Hydrogène des Pays de la Loire. L’ADEME, la DRIRE et le Conseil Régional des Pays de la Loire financent une étude de faisabilité sur une période s’étalant de janvier 2006 à juin 2007.
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Laboratoire de l’Ecole polytechnique de l’Université de Nantes Institut de l’Ecole polytechnique de l’Université de Nantes 12 Laboratoire commun de l’Université de Nantes, de l’Ecole des Mines de Nantes et de l’ENITIAA (Ecole Nationale d’Ingénieurs des Techniques des Industries Agricoles et Alimentaires) 13 Laboratoire de l’Ecole polytechnique de l’Université de Nantes 14 Les PEMFC (Proton Exchange Membrane fuel Cell) sont actuellement le type de pile le plus étudié. Leurs applications sont multiples autant dans le domaine automobile que dans le domaine stationnaire et portable. 11
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Les missions de cette étude sont les suivantes : •
confirmer et positionner les atouts de la région : état des lieux des actions dans le monde, des forces et faiblesses de la Région, étude du potentiel commercial et projection du déploiement de l’hydrogène au niveau régional…
•
fédérer et animer l’ensemble des projets existants et à venir : Organisation de conférences, de voyages d’étude, communication utile aux acteurs industriels (une dizaine actuellement en France, dont Air Liquide) et aux chercheurs, aide à l’émergence de nouveaux projets…
L’objectif est de permettre à la région Pays de la Loire de devenir un des leaders du développement de la filière hydrogène (et notamment des applications dans le secteur de la construction navale et du nautisme) en Europe à l’horizon de 2020.
Quelques idées de projets d’avenir en Loire-Atlantique ont été suggérées lors de cette séance, notamment : •
les concepts de navettes fluviales et de microbus fonctionnant à l’hydrogène dans l’agglomération nantaise,
•
la création d’un port de plaisance, dont les bateaux fonctionneraient à l’hydrogène sur l’Ile de Nantes, ou bien encore
•
la construction d’une zone d’activités liée aux technologies de l’hydrogène à proximité du Port ou du futur aéroport de Notre Dame des landes…
CODELA – CONSEIL DE DEVELOPPEMENT DEPARTEMENTAL 2, Quai de Versailles – BP 44621 - 44046 Nantes cedex 1 Fax : 02 40 48 14 24 – : 02 40 48 48 00
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ANNEXE 8
Hydrogène, l'énergie de demain15 ? Le rapport entre l'hydrogène et le carbone dans les combustibles que nous utilisons a augmenté au fil des années, à mesure que croît notre consommation de gaz naturel (par rapport au pétrole ou au charbon). Voilà de bonnes nouvelles pour l'environnement et l'humanité. Lorsque nous brûlons des combustibles fossiles, comme le gaz naturel, les deux principaux produits sont le dioxyde de carbone et l'eau. Plus un combustible contient d'hydrogène, moins il produit de dioxyde de carbone, et plus il produit d'eau en brûlant. À mesure que nous utilisons des combustibles contenant davantage d'hydrogène, ceuxci deviennent plus propres. Comme les réserves de nombreux autres combustibles diminuent, il paraît de plus en plus logique de se tourner vers l'élément le plus abondant de l'univers. La plupart des scientifiques et des environnementalistes s'accordent pour dire que l'hydrogène constituera, avec l'électricité, un important vecteur énergétique de demain. L'hydrogène et l'électricité finiront par devenir les principaux vecteurs énergétiques, dont de plus en plus de gens se serviront pour davantage d'applications que tout autre combustible utilisé de nos jours. Au départ, l'hydrogène sera produit à partir du gaz naturel et d'autres combustibles fossiles. Par la suite, il sera produit à partir de toute une gamme de sources d'énergie, y compris les sources renouvelables d'énergie hydroélectrique, éolienne, solaire et nucléaire.
À travers l'histoire, le rapport entre l'hydrogène et le carbone dans les combustibles que nous utilisons a augmenté avec l'arrivée de nouveaux combustibles. L'hydrogène pur comme combustible représente tout naturellement la prochaine étape. 15
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