Glossaire

GLOSSAIRE

Définitions et explications des principaux termes autour de l’hydrogène et de l’énergie photovoltaïque. Les différents systèmes de production d’hydrogène (électrolyseur, pile à combustible) et d’utilisation sont détaillés. Quelles sont les principales molécules et les différentes matières du domaine ? Quels indicateurs pour l’hydrogène ?

 

Technologies / procédés

Electrolyse, pile à combustible…

Unités

kWh / kWc, PCI, Nm3…

Elements

H2, CGH2, eCO2…

Indicateurs

PR, TRE…

 

Technologies et procédés

Quels équipements pour produire l’hydrogène, et quels procédés ?

Électrolyse : phénomène de décomposition accompagnant le passage du courant électrique dans un liquide. Permet de produire de l’hydrogène à partir de l’eau.

Technologies d’électrolyseur (en 2020)

Alcalin PEM

(membrane échangeuse de proton)

AEM

(membrane échangeuse d’anion)

SOEC

(Électrolyse à oxyde solide)

Rendement (à partir du pouvoir calorifique inférieur de l’hydrogène) [%] 50 – 68 50 – 68 52 – 67 75 – 85
Durée de vie du stack [milliers d’heure] 60 50 – 80 > 5 < 20
Temps de mise en charge (0 % à régime nominal) < 50 < 5 à < 20 < 20 > 600
Commentaire Plus répandue et actuellement moins chère Plus réactive, plus adaptée à l’intermittence des EnR. Technologie plus récente que la technologie alcaline
Technologie réactive, plus récente encore
Technologie moins répandue, de meilleur rendement, plus durable en ressources mais plus cher.

 

Compresseur : le dihydrogène dans les conditions normales de pression et de température a une densité d’énergie volumique faible (sa densité énergétique massique est quant à elle supérieure à beaucoup d’autres éléments). Alors, compresser le gaz à 200 à 900 bar (pour des usages stationnaires ou pour la mobilité) permet un gain en volume conséquent. La majorité des systèmes sont des compresseurs mécaniques, très sensibles à la pureté (et notamment à l’humidité) de l’hydrogène. Des compresseurs thermochimiques sont utilisés sur des sites pilotes. Cette seconde technologie devrait se développer.

Pile à combustible : principe inverse d’une électrolyse. La réaction chimique produite par l’oxydation et la rencontre de gaz (dihydrogène et oxygène) produit de l’électricité, de l’eau et de la chaleur.

Stack : élément de base d’un électrolyseur ou  d’une pile à combustible, constitué d’un empilement en série de cellules.

 

L’énergie solaire

PV : Photovoltaïque (production—, installation—, électricité ou énergie —)

Photolyse : décomposition d’un élément chimique à partir d’une source lumineuse. Permet de produire de l’hydrogène à partir de l’eau.

 

Transformation de l’hydrogène et du méthane

CCS  : Capture et séquestration du carbone en aval d’une installation de gazière, technologie pouvant être associée au vaporeformage pour limiter lors du procédé les émissions de CO2 dans l’atmosphère. A ne pas confondre avec le CDR (Carbon dioxide removal) qui consiste à retirer du CO2 de l’atmosphère.

Méthanation :  production industrielle de méthane CH4 à partir du CO /CO2 et hydrogène.

Vaporeformage : cette réaction chimique casse les molécules d’hydrocarbure (couramment du méthane : gaz naturel ou bio-méthane) sous l’action de la chaleur de la vapeur d’eau pour en libérer le dihydrogène. Une molécule d’hydrocarbure (CnHm) nécessite moins d’énergie à être cassée qu’une molécule d’eau (H2O). Ce moyen de production a  cependant pour inconvénient de rejeter du dioxyde de carbone (CO2), principal gaz responsable de l’effet de serre dans l’atmosphère. Les technologies associées de capture du CO2 doivent encore évoluer.

 

Hydrogène et mobilité

HRS : Hydrogen Refuelling Station, stations de ravitaillement en hydrogène. Est aussi le nom d’une entreprise et d’un produit.

ICE/MCI : Internal combustion engine / Moteur à combustion interne. Un véhicule à hydrogène peut utiliser un moteur thermique (à combustion interne) ou une pile à combustible couplée à une motorisation électrique.

FCEB/H2FC : Fuel Cell Electrical Bus/Hydrogen Fuel Cell Technologies. Pour des bus fonctionnant avec une pile à combustible hydrogène.

 

Stockage de l’énergie

Hydrure métallique : stockage de l’hydrogène sous forme solide, à basse pression et à température ambiante avec une poudre métallique. Cette méthode plus récente pourrait devenir intéressante pour le stockage stationnaire. Elle présente une haute densité énergétique et un faible niveau de risque d’accident. Le poids des hydrures métalliques ainsi que le mode de transfert exothermique ne permettent a priori pas le stockage pour des applications mobiles.

Liquid organic hydrogen carriers (LOHC) : les liquides organiques porteurs d’hydrogène présentent une densité de stockage d’hydrogène élevée et facilite son transport par voie maritime à l’instar d’autres hydrocarbures. (plus d’informations sur les LOHC)

Lithium : batterie ou accumulateur au lithium. Selon les systèmes et l’utilisation une batterie de cette technologie a une durée de vie estimée de 500 à 5 000 cycles (confere tableau ci-dessous). Cette famille de technologies permet de stocker sur des temps “courts” l’énergie électrique. D’autres technologies au lithium existent se développent tels que le lithium soufre et le lithium air qui augmentent considérablement la densité énergétique massique (Wh / kg).

 

Technologies de batteries (caractéristiques de 2020)

NMC

(Lithium Nickel Manganèse Cobalt)

LTO

(Lithium Titanate Oxyde)

LFP

(Lithium Fer Phosphate)

Plomb
Densité énergétique (énergie par kg) [Wh / kg] 125 – 200

300 en 2040

80

280 en 2040

95 – 120

120 en 2040

40
Durée de vie [cycles] 500 3000 2000
300
Temps de mise en charge (0 % à régime nominal) Technologie récente (2008)

Technologie plus couteuse que LFP. Une baisse de prix importante  est prévue.

Technologie récente (2008)

Technologie légèrement plus couteuse que LFP. Une baisse de prix est prévue.

Technologie mature.

Baisse de 60 % prévue entre 2020 et 2040.

Technologie mature.

Éléments

CO2 : dioxyde de carbone ou gaz carbonique. Se présente à l’état gazeux aux conditions normales de température et de pression.

CnHm :  formule type des hydrocarbure. Un hydrocarbure est un composé organique constitué exclusivement d’atomes de carbone (C) et d’hydrogène (H).

CGH2 : hydrogène compressé (sous forme gazeuse)

Dihydrogène : molécule composée de 2 atomes d’hydrogène (H2).

Hydrogène (H ou H2) : désigne l’élément chimique et couramment le gaz composé de dihydrogène.

LH2 : hydrogène (stocké sous forme) liquide.

Pureté de l’hydrogène : La pureté minimale constatée en sortie des principaux systèmes d’électrolyseurs est de 99,90 %. Le reste du mélange étant principalement une fraction de H20 et de O2. Cela dépend du type d’électrolyseur (PEM, alcalin…). Des classes de pureté de systèmes complets d’électrolyseurs PEM sont selon les fournisseurs : HG > 99,995 % N50 > 99,999% N55 > 99,9995 % N60 > 99,9999 %

 

Unités

Pression, longueur, surface, volume

atm : atmosphère normale, 101 325 Pa, proche du bar

Bar, Pascal : unités de pression

L (ou l)  : litre

m, m², m³ : mètre, —carré, —cube

Nm³ : Normo mètre cube, unité de mesure de quantité de gaz,  pour un gaz se trouvant dans les conditions normales de température et de pression (0 ou 15 ou plus rarement 20 °C selon les référentiels et 1 atm, soit 101 325 Pa).

 

Puissance et énergie

GWh : gigawatt-heure (= 1 000 MWh = 1 000 000 kWh)

kWc (ou kWp) : kilowatt crête de l’installation PV, unité de puissance installée. En utilisation, l’installation produira en énergie un certain pourcentage de cette puissance selon l’orientation, l’inclinaison et l’état des panneaux et en fonction aussi bien-sûr de l’heure et de la saison.

kW(é) (ou el) : kilowatt (électrique), unité de puissance

kWh : kilowatt-heure, unité d’énergie

PCI (ou LHV) : Pouvoir calorifique inférieur, quantité de chaleur dégagée par la combustion complète d’une unité de combustible, la vapeur d’eau étant supposée non condensée et la chaleur de vaporisation non récupérée. Permet par exemple de quantifier l’énergie contenue par un réservoir d’hydrogène.

 

Indicateurs

Indicateurs énergétiques

CED : La demande cumulée en énergie peut-être calculée à partir de l’EROI moyen. On peut ainsi comparer des ystèmes selon l’énergie primaire nécessaire par km parcouru.

TRE : Taux de retour énergétique (EROI ou EROEI en anglais). Ratio d’énergie utilisable acquise à partir d’une source donnée d’énergie, rapporté à la quantité d’énergie dépensée pour obtenir cette énergie. Dépend fortement du périmètre étudié.

Taux d’auto-consommation : Taux d’utilisation sur site de l’électricité produite, avec un éventuel recours à l’électricité du réseau

Taux d’auto-production : Quantité d’énergie produite par rapport à l’énergie consommée. Un taux de 100 % d’autoproduction permet l’autarcie.

 

Indicateurs environnementaux

GES : Gaz à effet de serre : H2O, CO2, CH4, N2O… Ils sont quantifiés par leur pouvoir réchauffant global (PRG ou GWP en anglais) et par l’équivalent en dioxyde de carbone (kg CO2e).

GWP (ou PRG en français) : global warming potential, potentiel de réchauffement global, est un facteur de conversion qui permet de comparer l’influence de différents gaz à effet de serre (GES) sur le système climatique.

 

Indicateurs économiques

Capex : Coût d’investissement

Opex : Coût opérationnel

TCO : Coût total de possession en anglais. Il représente la somme totale des coûts associés à un bien au cours du cycle de vie de ce dernier. Dépend du périmètre étudié.

 

 

Plus d’information sur l’hydrogène :

Détail - pile à combustible H2

Détail d’un stack de pile à combustible H2 – hydrogène

Le cycle de l’hydrogène en icônes :

Tecphy - Dimensionnement photovoltaïque (icone PV) Tecphy - icône batterie Tecphy - icone électrolyseur H2 hydrogène Tecphy - Icône compresseur mécanique Hydrogène Tecphy - icône bouteille hydrogène 200 bar

 

L’hydrogène bas carbone est produit par une énergie renouvelable comme par exemple l’électricité photovoltaïque ou éolienne. Les pics et les creux courts dans la production solaire sont “absorbés” par un système de batteries qu’il convient de bien dimensionné. L’énergie  alimente alors l’électrolyseur (PEM, alcalin…) qui utilise l’électricité et de l’eau purifié pour produire de l’hydrogène ainsi que de l’oxygène et de la chaleur. Ces deux derniers éléments sont des coproduits qu’il convient si possible de valoriser. L’hydrogène est ensuite compressé. Il pourra être utilisé pour des applications mobiles (transport en commun à hydrogène, application maritime à hydrogène) ou stationnaires (stockage saisonnier d’énergie, industrie consommatrice d’hydrogène…).