Stockage d'énergie à base d'hydrogène : l'avenir des solutions d'énergie renouvelable
2024-11-26
En tant que nouvelle énergie à faible émission de carbone et nouvelle matière première, l'hydrogène est un vecteur essentiel pour réaliser la transformation énergétique et un complément important à l'énergie électrique dans le futur système énergétique secondaire. En tant que nouvelle méthode de stockage d'énergie, le système de stockage d'énergie à hydrogène présente les avantages d'un temps de décharge long, d'une grande capacité, d'une économie élevée, d'un stockage et d'un transport flexibles et d'un respect de l'environnement. Il peut efficacement combler les lacunes des autres systèmes de stockage d'énergie et jouera un rôle important dans la construction de nouveaux systèmes électriques.
À l'heure actuelle, le système de stockage d'énergie à hydrogène est au stade de la démonstration et de l'application. À l'avenir, avec le développement de la technologie et l'application à grande échelle, le coût du système de stockage d'énergie à hydrogène diminuera considérablement, ce qui est d'une grande importance pour servir le pic de carbone et la neutralité carbone.
1. Le système de stockage d’énergie à l’hydrogène est développé en utilisant la conversion mutuelle de l’électricité et de l’énergie à l’hydrogène.
Le système de stockage d’énergie à l’hydrogène peut stocker à la fois l’électricité et l’hydrogène et ses dérivés (tels que l’ammoniac et le méthanol).
Le système étroit de stockage d'énergie à hydrogène est basé sur le processus de conversion « d'électricité, d'hydrogène et d'électricité » (Power-to-Power, P2P), comprenant principalement des électrolyseurs, des réservoirs de stockage d'hydrogène et des piles à combustible.
L'excédent d'électricité nouvelle produite en période creuse est utilisé pour électrolyser l'eau afin de produire de l'hydrogène, qui est stocké ou utilisé par les industries en aval ; pendant la période de pointe de consommation d'électricité, l'énergie hydrogène stockée peut être utilisée pour produire de l'électricité à l'aide de piles à combustible et incorporée au réseau électrique public.
La définition large du système de stockage d'énergie à l'hydrogène met l'accent sur la conversion unidirectionnelle de « l'électricité et de l'hydrogène », en stockant l'hydrogène sous forme gazeuse, liquide ou solide (Power-to-Gas, P2G), ou en le convertissant en dérivés chimiques tels que le méthanol et l'ammoniac (Power-to-X, P2X) pour un stockage plus sûr.
2. La valeur d'application du système de stockage d'énergie à l'hydrogène est extrêmement élevée et constitue un complément important au nouveau système électrique
Le nouveau système électrique est un élément important du nouveau système énergétique. Il utilise les nouvelles énergies comme principale source d'énergie. La clé réside dans le développement coordonné du stockage d'énergie avec différents positionnements fonctionnels, l'introduction de moyens de réduction des pointes de consommation à grande échelle et interrégionaux, la réalisation d'un équilibre entre puissance et énergie sur différentes échelles de temps et l'intégration organique avec d'autres variétés d'énergie profondément décarbonées pour atteindre l'objectif ultime de neutralité carbone.
Le stockage d'énergie étant devenu le quatrième élément indispensable du nouveau système électrique, à savoir la source, le réseau, la charge et le stockage, le système de stockage d'énergie à hydrogène peut assurer un stockage à long terme et intersaisonnier, de quelques heures à quelques saisons, avec des méthodes de transport diversifiées, sans être limité par le réseau de transport et de distribution d'électricité, et peut jouer un rôle auxiliaire dans le lissage des fluctuations de la production d'énergie éolienne et solaire, en suivant la courbe de production prévue, en fournissant une capacité auxiliaire de réduction des pointes, en participant à la réponse à la demande d'électricité et en atténuant la congestion des lignes de transport et de distribution du côté de l'alimentation électrique, du côté du réseau et du côté de l'utilisateur. Il deviendra un complément important du nouveau système électrique.
Le système de stockage d'énergie à l'hydrogène réduit l'abandon d'énergie et atténue les fluctuations du côté de l'alimentation électrique. Étant donné que la production de nouvelles sources d'énergie telles que le photovoltaïque et l'éolien présente une volatilité naturelle, le problème de l'abandon de la lumière et du vent a toujours existé dans le système électrique. L'utilisation de systèmes de stockage d'énergie à l'hydrogène pour convertir l'électricité qui ne peut pas être connectée au réseau en hydrogène vert sur place peut non seulement résoudre le problème de la nouvelle consommation d'énergie, mais également fournir une énergie hydrogène propre et bon marché aux industries locales, aux transports, à la construction et à d'autres domaines.
En même temps, le système de stockage d'énergie à hydrogène absorbe l'énergie lorsque le parc éolien et la centrale photovoltaïque sont à leur puissance maximale et restitue l'énergie lorsque leur puissance est faible. La courbe de puissance combinée après addition de l'énergie éolienne et solaire totale à l'énergie de stockage de l'hydrogène devient lisse, ce qui améliore la convivialité des nouvelles énergies et favorise la transmission d'énergie nouvelle à grande échelle.
Du côté du réseau, le système de stockage d'énergie à l'hydrogène fournit une capacité d'écrêtement des pointes et atténue la congestion des lignes de transmission et de transformation. La capacité du réseau à recevoir et à absorber de nouvelles énergies dépend en grande partie de sa capacité d'écrêtement des pointes. Avec la pénétration de nouvelles énergies à grande échelle et les changements dans la structure de la consommation d'électricité industrielle, la différence entre les pics et les creux du réseau continuera de s'accroître, et le stockage d'énergie à l'hydrogène présente les caractéristiques d'une densité élevée, d'une grande capacité et d'un stockage à long terme, ce qui peut fournir une capacité auxiliaire d'écrêtement des pointes considérable. En outre, dans certaines zones, la croissance de la capacité de transmission d'électricité ne peut pas suivre le rythme de croissance de la demande d'électricité. Pendant les pics de demande d'électricité, le système de transmission et de distribution sera encombré et bloqué, affectant le fonctionnement normal du système électrique. Par conséquent, un système de stockage d'énergie à l'hydrogène de grande capacité peut servir de « ligne de transmission virtuelle » et être installé en aval du flux de la section bloquée du système de transmission et de distribution. L'énergie électrique est stockée dans des sections sans congestion de transmission et de distribution. Le système de stockage d'énergie à hydrogène libère de l'énergie électrique pendant les périodes de pointe de la demande d'électricité, réduisant ainsi les besoins en capacité du système de transmission et de distribution et atténuant la congestion du système de transmission et de distribution.
Le système de stockage d'énergie à hydrogène peut réaliser un arbitrage des différences de prix de l'électricité et servir de source d'alimentation de secours côté utilisateur. À l'heure actuelle, la plupart des utilisateurs industriels ont mis en œuvre le système de tarification de l'électricité en fonction des pics et des creux pour encourager les utilisateurs à planifier leur consommation d'électricité sur différentes périodes. Avec le système de stockage d'énergie à hydrogène, les utilisateurs peuvent utiliser des dispositifs de stockage d'énergie à hydrogène pour stocker l'électricité pendant la période de creux lorsque les prix de l'électricité sont plus bas, et utiliser des piles à combustible pour libérer de l'électricité pendant les périodes de pointe, réalisant ainsi un arbitrage des prix de l'électricité en fonction des pics et des creux.
De plus, les générateurs diesel, les batteries au plomb ou au lithium sont actuellement les principaux systèmes d'alimentation de secours, qui présentent des défauts tels qu'un bruit élevé, des émissions polluantes élevées ou une durée de vie courte, une faible densité énergétique et une faible endurance. Les piles à combustible à hydrogène mobiles sont respectueuses de l'environnement, silencieuses et ont une longue endurance, ce qui en fait l'une des alternatives les plus idéales. Il existe déjà des cas pratiques, comme une alimentation de secours mobile à pile à combustible à hydrogène unique avec une puissance de pile unique de plus de 120 kW.
3. Le système de stockage d’énergie à l’hydrogène présente des avantages et des inconvénients évidents, et l’industrie est au stade de la démonstration et de l’application
Le système de stockage d'énergie à l'hydrogène présente des avantages évidents en termes de capacité de stockage, de temps de décharge et d'autres indicateurs de performance, mais il existe un certain écart en termes de coût d'investissement et d'efficacité de conversion. La densité énergétique du système de stockage d'énergie à l'hydrogène peut atteindre 140 MJ/kg, soit plus de 100 fois celle du stockage d'énergie électrochimique tel que les batteries au lithium. Il peut stocker plus d'énergie dans un volume plus petit, évitant ainsi efficacement le phénomène de gaspillage d'énergie.
En termes de pouvoir calorifique, le pouvoir calorifique de l'hydrogène peut atteindre 120 MJ/kg, soit 3 à 4 fois celui des énergies fossiles traditionnelles telles que le charbon, le gaz naturel et le pétrole. Les avantages du système de stockage d'énergie à l'hydrogène en termes de temps de décharge (heures à trimestres) et d'échelle de capacité (au niveau de la centaine de gigawatts) sont évidents par rapport aux autres systèmes de stockage d'énergie. En termes d'efficacité de conversion, l'efficacité de conversion énergétique du stockage par pompage, du stockage d'énergie par volant d'inertie, des batteries au lithium, des batteries au sodium-soufre et de divers systèmes de stockage d'énergie électromagnétique est supérieure à 70 %.
Français L'efficacité de production d'hydrogène de l'électrolyse de l'eau alcaline, de l'électrolyse de l'eau PEM et de l'électrolyse de l'eau à oxyde solide (SO) dans le processus de conversion « électricité-hydrogène » du système de stockage d'énergie à hydrogène est respectivement de 63 %-70 %, 56 %-60 % et 74 %-81 %, tandis que l'efficacité de production d'énergie par pile à combustible du processus de conversion « hydrogène-électricité » n'est que de 50 %-60 %, et la perte d'énergie est supérieure à celle des autres technologies de stockage d'énergie couramment utilisées. L'application à grande échelle nécessite encore des améliorations techniques. En termes de coût, le coût du système de stockage d'énergie à hydrogène est d'environ 1850 USD/kW, ce qui est bien plus élevé que d'autres méthodes de stockage d'énergie telles que le stockage par pompage (1000 USD/kW) et le stockage d'énergie électrochimique (286 USD/kW).
4. Il reste encore un long chemin à parcourir avant l’application à grande échelle du système de stockage d’énergie à l’hydrogène, et la technologie et le coût constituent les plus grandes limitations.
Le système de stockage d'énergie à base d'hydrogène comprend principalement trois parties : le système de production d'hydrogène, le système de stockage d'hydrogène et le système de production d'énergie à base d'hydrogène. Cela nécessite l'intégration de l'ensemble de la chaîne industrielle de l'hydrogène pour réaliser le flux d'énergie à travers les deux voies de la chaîne de l'énergie électrique et de la chaîne industrielle de l'hydrogène.
Bien que le système de stockage d'hydrogène soit la voie dominante pour le stockage d'énergie à grande échelle à l'avenir, le coût du système de production d'hydrogène et de la production d'électricité est élevé, le mode de transport automobile traditionnel est coûteux et inefficace, les bouteilles de stockage d'hydrogène haute pression ont un besoin urgent d'itération et de mise à niveau, et les équipements de traitement tels que les matériaux en fibre de carbone, les équipements d'enroulement de fibre de carbone et les réservoirs haute pression dépendent fortement des importations. Les problèmes techniques du transport et du stockage de l'hydrogène sur de longues distances sont également devenus un facteur important limitant le développement ultérieur de l'industrie à ce stade. Avec l'exploration de stations intégrées de production et d'hydrogénation d'hydrogène, de stations énergétiques intégrées à l'hydrogène léger ou via les centrales électriques au charbon à écrêtement des pointes à côté des bases d'énergie éolienne photovoltaïque pour produire de l'électricité en mélangeant l'hydrogène avec la combustion, l'industrie de l'énergie hydrogène évolue vers des stations énergétiques intégrées, et le modèle de développement de la consommation à proximité pourrait être en mesure de résoudre le dilemme actuel et de réaliser une réduction des coûts et une amélioration de l'efficacité.
L'adaptabilité des systèmes de stockage d'énergie à l'hydrogène aux grandes fluctuations de puissance des parcs éoliens doit être améliorée. En raison de la forte incertitude de l'énergie éolienne et solaire, la plage de fluctuations de puissance de sortie est très large. Des changements aléatoires entraînent des changements fréquents dans la puissance d'entrée du dispositif d'électrolyse de l'eau alcaline, ce qui entraîne des changements dans la pression du diaphragme d'amiante et la concentration de la solution alcaline, affectant l'efficacité de l'électrolyse de l'eau et la durée de vie et la sécurité de fonctionnement du dispositif d'électrolyse. Dans le même temps, l'électrolyse de l'eau nécessite une alimentation électrique CC stable pour fournir une puissance suffisante pour entraîner la réaction d'électrolyse. Les fluctuations fréquentes de puissance auront un impact important sur la durée de vie de l'équipement ainsi que sur la pureté et la qualité de l'hydrogène.
Par conséquent, il est nécessaire de mener des recherches approfondies sur l'adaptabilité des équipements de production d'hydrogène aux fluctuations de puissance, de développer une technologie de production d'hydrogène par électrolyse de l'eau alcaline industrielle à haute puissance, à faible coût et efficace, et de développer une technologie de production d'hydrogène par électrolyse de l'eau à membrane échangeuse de protons qui peut réagir rapidement aux fluctuations de puissance, afin d'améliorer l'adaptabilité des équipements de production d'hydrogène par électrolyse de l'eau aux fluctuations de puissance intermittentes.
5. Perspectives d'avenir du système de stockage d'énergie à base d'hydrogène
Au cours des deux dernières années, le nombre de projets de systèmes de stockage d'énergie à l'hydrogène a progressivement augmenté, cultivant un nouveau modèle d'application intégré de « production d'énergie éolienne et solaire + stockage d'énergie à l'hydrogène + stockage par pompage », développant l'industrie de l'énergie éolienne tout en construisant des centrales électriques à système de stockage d'énergie à l'hydrogène et en utilisant l'énergie de l'hydrogène pour réaliser la régulation de la charge de pointe et la conversion de l'électricité du réseau électrique dans les zones où les conditions de ressources sont appropriées.
Dans le contexte de la neutralité carbone et du stockage de l'énergie, à mesure que la technologie des composants clés tels que les « huit parties principales » (les huit parties principales font référence aux catalyseurs, aux couches de diffusion, aux membranes échangeuses de protons, aux électrodes à membrane, aux plaques bipolaires, aux piles à combustible, aux compresseurs d'air et aux pompes de circulation d'hydrogène) dans les piles à combustible s'améliore progressivement, le coût global de la chaîne industrielle de l'énergie hydrogène continuera de diminuer, l'amont sera couplé à la production d'hydrogène éolien et solaire, et l'aval explorera des applications zéro carbone dans de multiples domaines, et le système de stockage d'énergie hydrogène inaugurera un marché océan bleu.
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