Thread by @TFF1618

Dans ce Thread, nous allons voir comment stocker l'énergie électrique via le vecteur hydrogène
Quel est le rendement attendu ?
Quels sont les coûts ?
Quels sont les perspectives d'évolutions ?

ça vous dit? Alors, c'est parti ! Let's go !

Dans un premier temps il faut produire l'hydrogène.

Pour cela on utilise l'électrolyse de l'eau.
En gros on sépare la molécule d'eau via un courant électrique

La réaction est la suivante :
2 H2O -> 2 H2 + O2

Le procédé le plus mature pour cela est l'électrolyse alcaline

La consommation d'énergie de telles machines est d'environ 4.5 kWh/Nm3, soit un rendement de 65% par rapport au PCI de l'hydrogène (entre 55 et 69% selon les machines)

source:
mcphy.com/fr/nos-produit…

Le coût du kW d'électrolyseur se situe en général autour de 1200 €

source:
sciencedirect.com/science/articl…

à noter qu'une autre technologie, l'électrolyse à membrane à échange de proton pourrait en théorie atteindre des rendements supérieurs à 75%

Cependant la durée de vie de ce genre de dispositif reste encore faible (quelques milliers d'heures) et le coût élevé (>2000 €/kW)

à la consommation de l'électrolyseur il faut ajouter les systèmes annexes:

Les transformateurs et redresseurs

L'alimentation en eau déminéralisée

Le refroidissement

Le conditionnement de l'H2 et de l'O2 produit

Les électrolyseurs fonctionnent en courant continu basse tension, alors que le réseau est en alternatif haute tension, il est donc nécessaire d'adjoindre au dispositif un redresseur et un transfo

Les redresseurs de puissance ont généralement un très bon rendement (99.8%)

Il en est généralement de même avec les transformateurs (>99.5%), cependant, le saut de tension (de 400 kV à quelques centaines de V (2400 V pour 1000 cellules en série)) est énorme, on va donc considérer un rendement de 98-98.5%

Les pertes sont donc de l'ordre de 4 MJ/kg d'H2

Il faut également de l'eau déminéralisée pour alimenter les électrolyseurs (9 litres par kg d'H2) dont la production va consommer entre 3 et 8 Wh par litre (8 c'est pour l'eau de mer) par osmose inverse

La consommation est donc de l'ordre de 0.25 MJ/kg d'H2

Il faut aussi refroidir l'ensemble

Pour cela, la consommation devrait ne pas excéder 1.5 MJ/kg d'H2

Enfin il faut conditionner les gaz produits

Selon la méthode de stockage, l'énergie dépensée varie considérablement

Compresser un kg d'hydrogène de 25 à 250 bars demande 6 MJ, le liquéfier, plus de 30 MJ

Enfin, si on doit liquéfier l'oxygène, comptez 15 MJ supplémentaires

En gros la production d'hydrogène demande, selon la méthode de stockage de l'H2, entre 195 et 220 MJ par kg soit un rendement de 54 à 61 %

Si on stocke l'oxygène produit, comptez 15 MJ supplémentaires

Le coût d'une telle installation doit fleurter avec les 2000 €/kW

2- Le Stockage

Si le stockage s'effectue sous forme liquide, la solutions la plus appropriée sont les grands réservoirs de types GNL

Le coût devrait se trouver vers 1000-1500 €/m3 pour le LH2 (hydrogène liquide) soit un coût de stockage autour de 1 € KWh

Si on stock l'oxygène, comptez 750-1000 €/m3 de LOX à stocker, soit un surcoût de 0.5 € le kWh stocké

Ps: si vous vous demandez, la seconde image d'illustration est l'intérieur du réservoir de LOX du second étage d'une Falcon 9 en microgravité

Les volumes nécessaires pour 200 à 300 heures de stockage pour une installation de 4 GWe sont de l'ordre de 500 à 800 000 m3 pour l'hydrogène et 250 à 400 000 m3 pour l'oxygène

Pour vous donner une idée, un réservoir comme celui ci dessous fait 200 000 m3 (source tokyo gas)

Si le stockage de l'hydrogène s'effectue sous forme gazeuse à haute pression, alors la meilleure solution reste le stockage en tunnel

En gros le principe est simple, on creuse un tunnel à grande profondeur (1000-1500 m) afin de résister à la pression et on stock le gaz dedans.

L'ensemble est creusé via un tunnelier que l'on descend et assemble au fond d'un puits, ce dernier va ensuite creuser un galerie de plusieurs km qui nous servira de réservoir

Selon la roche, un liner en métal peut être ajouté sur les voussoirs pour l’étanchéité.

En supposant une galerie de 12 m de diamètre, on aurait besoins de 18 à 27 km de tunnel pour nos 4 GW pendant 200 à 300 heures

Le prix de creusement ne devrait pas excéder 100 M€ par km ce qui nous ramène le kWh stocké autour de 3 € (si pression de 250 bars)

3 Le reconversion en électricité

Pour cela le plus simple serait de cramer l'hydrogène dans une banale turbine à cycle combiné qui peut tout de même atteindre un rendement respectable de 65 %

Cependant, je pense que l'on peut mieux faire.

Le principal problème des CCG, c'est qu'elles utilisent de l'air ambiant comme fluide de travail, ce qui n'est pas sans conséquences

-la limitation de la pression d'admission/rejet à 1 bar
-la limitation de la teneur en comburant à 20%
-la faible conductivité thermique de l'air

Un des gros avantages de l'hydrogène est que son seul produit de combustion est l'eau, qui peut facilement être éliminée par condensation

On peut donc imaginer un CCG en cycle fermé avec du H2 comme gaz de travail

Cela implique bien sur d'injecter de l'oxygène en plus de l'hydrogène dans la chambre de combustion, d'où son stockage

On peut ainsi monter plus haut en température car il n'y plus de limite sur la quantité de réactif à injecter dans la chambre de combustion

On a une plus grande différence de pression puisque que l'on peut détendre en dessous de 1 atm

Ajoutez à cela le fait que l'hydrogène conduit 10 x mieux la chaleur que l'air, on peut concevoir des échangeurs plus compactes et plus efficaces

Un rendement de 70-75%, voir plus, ne me semble pas inatteignable

Voici un schéma de genre de bébé

Les coûts d'un CCG sont généralement inférieurs à 1000 €/kW

Pour notre beau bébé ci dessus, 1500 €/kW semble possible

Il est bon de noter qu'il existe une autre perspective pour la production d'électricité à partir d'hydrogène, les piles à combustible à oxyde solide (technologie non mature), mais ça ce sera pour une prochaine fois

Conclusion

On récapitule les coûts et les rendements de tout ce petit monde

Stockage sous pression + CCG conventionnel (stock 250 h)

rendement 38%

coût 3250 €/kW

Stockage liquide + CCG conventionnel (stock 250 h)

rendement 34%

coût 3250 €/kW

Stockage sous pression (H2+O2) +CCG cycle fermé (stock 250 h)

rendement 43%

coût 4200 €/KW

Stockage sous pression H2 + O2 liquide + CCG cycle fermé (stock 250 h)

rendement 41%

coût 4100 €/kW

Stockage liquide (H2+O2) +CCG cycle fermé (stock 250 h)

rendement 37 %

coût 3900 €/kW

Ci question ou remarques, allez y !

La prochaine fois, on parlera de Paul Sabatier, de méthane, d'iode, de soufre, de nucléaire, d'hélium, d'essence de synthèse et pourquoi pas de la planète Mars

Ps: j'écris ça à 3h du matin, il est possible qu'il y est une ou deux fautes d'orthographe

désolé d'avance😅

*questions