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RÉSUMÉ
Le Power-to-Gas est le procédé par lequel de l’énergie électrique est convertie en énergie chimique, sous forme gazeuse. Ce procédé repose en premier lieu sur l’électrolyse, produisant de l’hydrogène (Power-to-H2) à partir d’électricité et d’eau. L’électrolyse peut être complétée par une étape de méthanation, permettant de faire réagir l’hydrogène avec du dioxyde de carbone pour produire du méthane (Power-to-CH4). Cet article donne un aperçu des différentes technologies impliquées dans le Power-to-Gas ainsi que les enjeux et perspectives en termes de performances (rendements énergétiques, flexibilité et temps de réponse), bilan économique (coûts des installations et du MWh produit, sous forme d’H2 ou de CH4), impacts environnementaux (émissions de gaz à effets de serre), fiabilité et durabilité (maîtrise des défaillances et des dégradations), sécurité (maîtrise des phénomènes dangereux).
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Florent BRISSAUD : Chef de projet R&D Power-to-Gas et Gestion des Actifs Industriels - Research & Innovation Center for Energy (RICE), GRTgaz, France
INTRODUCTION
Le Power-to-Gas est le procédé par lequel de l’énergie électrique est convertie en énergie chimique, sous forme gazeuse. Par rapport à l’électricité, le gaz ainsi produit a l’avantage d’être facilement stockable en grande quantité et sur du long terme. Le Power-to-Gas permet aussi de décarboner l’hydrogène industriel, de produire du gaz bas carbone et de créer des synergies entre les réseaux électriques et gaziers.
Le Power-to-Gas repose en premier lieu sur l’électrolyse, produisant de l’hydrogène (Power-to-H2) à partir d’électricité et d’eau. Les électrolyseurs alcalins, à membrane échangeuse de protons (PEM) et à haute température (SOEC) sont décrits dans cet article, ainsi que d’autres technologies émergentes. L’électrolyse peut être complétée par une étape de méthanation, permettant de faire réagir l’hydrogène avec du dioxyde de carbone pour produire du méthane (Power-to-CH4). Les méthaneurs catalytiques et biogéniques sont décrits dans cet article, ainsi que le captage et l’approvisionnement en CO2. Les unités annexes suivantes sont aussi présentées : installations électriques, traitement de l’eau, traitement des gaz produits, compression, stockage et transport via les réseaux.
Cet article présente aussi les enjeux et perspectives du Power-to-Gas en termes de performances des technologies (rendements énergétiques, flexibilité et temps de réponse), bilan économique (coûts des installations et du mégawattheure produit, sous forme d’H2 ou de CH4), impacts environnementaux (émissions de gaz à effets de serre), fiabilité et durabilité (maîtrise des défaillances et des dégradations) et sécurité (maîtrise des phénomènes dangereux).
Cet article intègre les premiers résultats de recherche et développement (R&D) et retour d’expérience de Jupiter 1000, le premier démonstrateur industriel français de Power-to-Gas à l’échelle du mégawatt, exploitant deux technologies d’électrolyse et une de méthanation.
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Technologies du Power-to-Gas
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1. Introduction au Power-to-Gas
1.1 Contexte du Power-to-Gas
En Europe, 143 sites de Power-to-Gas en opération ont été recensés en août 2022 par Hydrogen Europe, pour une capacité totale de 162 MWe, soit presque le double (en capacité) qu’en 2019 . Les premiers pays concernés sont l’Allemagne, l’Espagne, la Suisse, l’Autriche et le Royaume-Uni. Ces sites incluent a minima un procédé de Power-to-H2 et, dans certains cas, aussi de Power-to-CH4. Une douzaine de sites européens de Power-to-CH4 en opération ont été identifiés fin 2022 par l’Association technique énergie et environnement (ATEE), dont trois en France (notamment Jupiter 1000). En Chine, un site de Power-to-H2 d’une capacité de 150 MWe (alimenté par des panneaux solaires) a été mis en service en 2022, dans la région de Ningxia. Aux États-Unis, un projet de 220 MWe (alimenté par de l’électricité renouvelable) est en cours de réalisation dans l’état de l’Utah. En Arabie Saoudite, un projet de plusieurs GWe est déjà lancé. Dans son scénario « Net Zero Emissions », l’Agence internationale de l’énergie (AIE) mise sur une capacité mondiale de Power-to-Gas de 720 GWe pour 2050 (soit plus de 10 fois le parc nucléaire français actuel).
La Programmation pluriannuelle de l’énergie (PPE) de la France a fixé en 2017 l’objectif d’installer 10 à 100 démonstrateurs de Power-to-Gas d’une capacité minimale de 1 MWe d’ici à 2028 . La PPE vise aussi 10 % de gaz renouvelable dans le mix gazier d’ici à 2028, pour lequel le Power-to-Gas (et le Power-to-CH4 plus particulièrement) a aussi un rôle à jouer. Dans le plan d’investissement « France 2030 », la France s’est donnée comme objectif de « devenir le leader de l’hydrogène vert et des énergies...
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Introduction au Power-to-Gas
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - Clean Hydrogen Monitor 2022. - Hydrogen Europe (2022).
-
(2) - Programmation pluriannuelle de l’énergie. - Ministère de la transition écologique et solidaire (2017).
-
(3) - France 2030 – Plan d’investissement. - Dossier de presse du Gouvernement (2021).
-
(4) - Mémento de l’Hydrogène. Fiche 1.3 : Production et consommation de l’hydrogène. - France Hydrogène (2020).
-
(5) - Stratégie nationale pour le développement de l’hydrogène décarboné en France. - Dossier de presse du Gouvernement (2020).
-
(6) - Un mix électrique 100 % renouvelable ? Analyses et optimisations. - Ademe (2015).
- ...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
-
Infographie : les couleurs de l’hydrogène.
-
Produire localement de l’hydrogène décarboné (production sans fossile).
-
Captage du CO2 – Technologie pour la transition énergétique.
-
...
NORMES
-
Détecteurs d’hydrogène – Applications fixes - ISO 26142 - 2010
-
Installation des systèmes mettant en œuvre l’hydrogène - NF M58-003 - 2013
-
Considérations fondamentales pour la sécurité des systèmes à l’hydrogène - ISO/TR 15916 - 2015
-
Système d’adsorption modulée en pression pour la séparation et la purification de l’hydrogène - ISO/TS 19883 - 2017
-
Appareils de stockage de gaz transportables – Hydrogène absorbé dans un hydrure métallique réversible - ISO 16111 - 2018
-
Générateurs d’hydrogène utilisant le procédé de l’électrolyse de l’eau – Applications industrielles, commerciales et résidentielles - ISO 22734 - 2019
-
Hydrogène gazeux – Bouteilles et tubes pour stockage stationnaire - - 2020
ANNEXES
1.1 Organismes – Fédérations – Associations (liste non exhaustive)
Association technique énergie environnement https://atee.fr/
Clean Hydrogen Partnership https://www.clean-hydrogen.europa.eu/
France Hydrogène https://www.france-hydrogene.org/
Hydrogen Europe https://hydrogeneurope.eu/
Tenerrdis https://www.tenerrdis.fr/
HAUT DE PAGE1.2 Constructeurs – Fournisseurs – Distributeurs (liste non exhaustive)
Elogen https://elogenh2.com/
Energo https://energo.green/
Enosis https://enosis-energies.com/
Ergosup https://www.ergosup.com/
Gen-Hy https://gen-hy.com/
Genvia https://genvia.com/
Khimod https://www.khimod-alcen.com/
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