À partir de 2050, nous devrions pouvoir produire jusqu’à 46 térawattheures de courant avec des installations photovoltaïques. À titre de comparaison, les centrales nucléaires ont livré 25 térawattheures d’électricité en 2019. Les performances de ces installations sont toutefois soumises à de fortes variations saisonnières. Pour que l’électricité qu’elles produisent soit aussi disponible en hiver, il est nécessaire de la stocker en été. L’hydrogène pourrait être une solution à ce problème.
Dans de nombreuses maisons individuelles équipées d’installations photovoltaïques, des batteries au lithium permettent aujourd’hui de stocker pour la nuit l’électricité produite durant la journée. Le rendement des batteries de ce type est élevé: environ 85 % de l’électricité stockée peut être réutilisée. Les coûts de matériel sont toutefois très élevés, raison pour laquelle les batteries de ce type ne conviennent pas au stockage de longue durée. Avec un rendement d’environ 50 % à l’heure actuelle, l’hydrogène livre de moins bons résultats. En revanche, il peut être produit en grandes quantités à des coûts plus avantageux. Les grandes installations de production devraient à l’avenir permettre de transformer en hydrogène vert de l’électricité issue de sources renouvelables durant les périodes de pointe où la demande est faible, afin de le stocker en prévision de l’hiver.
L’hydrogène est obtenu par électrolyse de l’eau: ce procédé décompose l’eau en hydrogène et en oxygène, ses deux composants. L’énergie électrique est maintenant liée à l’hydrogène sous forme d’énergie chimique. Dans les piles dites à combustible, ce processus électrochimique peut être inversé au gré des besoins; l’hydrogène et l’oxygène présent dans l’air sont alors à nouveau transformés en eau. Les seuls produits secondaires de cette transformation sont la chaleur et l’eau.
Un procédé à perfectionner
Le principe semble simple, mais demande toutefois un important savoir-faire scientifique et technique. En effet, l’électrolyse comme la transformation dans les piles à combustible entraîne une perte d’énergie. Pour obtenir un rendement aussi élevé que possible, des travaux de recherche intensifs sont menés au PSI et en particulier à la plateforme d’essai ESI (pour «Energy System Integration»).
Mais outre le rendement, le stockage à proprement parler constitue aussi un défi. L’hydrogène est en effet un gaz très léger, nécessitant un volume de stockage important. La plateforme ESI utilise un réservoir à cet effet. Celui-ci contient environ 7 mégawattheures d’hydrogène qui, une fois retransformé en électricité, fournit 3,5 mégawattheures d’énergie, ce qui correspond approximativement à la consommation d’un ménage de deux personnes durant une année. Utilisés à grande échelle, de tels réservoirs prendraient toutefois trop de place. Des cavernes salines naturelles, telles que celles utilisées en Allemagne pour stocker l’hydrogène, n’existent pas (encore) en Suisse. Dans ces conditions, des systèmes de conduites souterraines sont à l’étude pour stocker ce gaz sans occuper de la place à outrance.
Actuellement, l’offre d’hydrogène vert est modeste en Suisse; elle est surtout concentrée dans le domaine de la mobilité. Douze stations-service permettent aux voitures et camions roulant à l’hydrogène de faire le plein dans notre pays. Avec le développement des énergies de source renouvelables, l’hydrogène est toutefois promis à un rôle plus important. Le Laboratoire d’analyse des systèmes énergétiques du PSI estime qu’à partir de 2050, jusqu’à 5 térawattheures d’énergie pourraient être mis à disposition sous forme d’hydrogène. Ce gaz pourrait être utilisé dans la mobilité comme pour le stockage de longue durée. Dans le deuxième épisode de notre série vidéo sur l’avenir de l’énergie, nous expliquons donc comment l’électricité peut être stockée sous forme d’hydrogène.
Stocker l’électricité sous forme d’hydrogène pendant les périodes de pointe en été puis la réinjecter dans le réseau en cas de besoin: la plateforme ESI du PSI développe les composants nécessaires pour produire, stocker et transformer l’hydrogène, et teste leur efficacité à l’aide de simulations.
(Vidéo: Institut Paul Scherrer/Benjamin A. Senn, Markus Fischer, Mahir Dzambegovic)
La série vidéo L’avenir de l’énergie se penche sur les questions qui surgissent au quotidien en matière de transition énergétique en Suisse. Chaque épisode aborde une question dans une courte vidéo. Les solutions possibles qui sont formulées s’appuient sur la recherche énergétique menée à l’Institut Paul Scherrer.
Texte: Institut Paul Scherrer/Benjamin A. Senn
L’arc-en-ciel de l’hydrogène
Suivant la manière dont l’hydrogène est produit, son nom varie au sein de la branche de l’énergie. Voici son «code couleur»:
- L’hydrogène vert est produit avec de l’électricité issue des énergies renouvelables.
- L’hydrogène turquoise est produit par pyrolyse du méthane. Avec ce procédé à haute température, le gaz naturel est divisé en hydrogène et en carbone solide.
- L’hydrogène orange/jaune est produit à base de matières organiques comme la biomasse, le biogaz ou le biométhane.
- L’hydrogène violet/rouge est produit avec de l’électricité de production nucléaire.
- L’hydrogène bleu est produit à partir de gaz fossile, par dissociation et stockage géologique du dioxyde de carbone.
- L’hydrogène blanc est celui qui est présent naturellement dans l’environnement.
- L’hydrogène gris est issu du gaz fossile (l’adjectif «gris» regroupant souvent aussi tous les agents énergétiques fossiles).
- L’hydrogène brun est produit en transformant du charbon (lignite) en gaz.
- L’hydrogène noir est issu de la houille.
Informations supplémentaires
- An assessment of energy system transformation pathways to achieve net-zero carbon dioxide emissions in Switzerland.
Panos, E., Kannan, R., Hirschberg, S. et al.
Commun Earth Environ 4, 157 (2023).
https://doi.org/10.1038/s43247-023-00813-6 - De l’hydrogène bleu peut protéger le climat – Communiqué de presse du 2 décembre 2021
- D’où viendra l’électricité en 2050? – Texte du 1er septembre 2021
- Du courant à la demande – Texte du 8 mars 2018
Contact
Dr Felix Büchi
Responsable du Laboratoire d’électrochimie
Institut Paul Scherrer, Forschungsstrasse 111, 5232 Villigen PSI, Suisse
E-mail: felix.buechi@psi.ch [allemand, anglais]
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