QUELS DÉFIS RELEVER POUR FAIRE DE L’HYDROGÈNE UNE SOLUTION ÉNERGÉTIQUE FIABLE ?

La filière de l’hydrogène est porteuse de promesses pour différentes industries. De nombreux défis technologiques doivent être relevés pour faire de ce vecteur énergétique plus durable, une solution de substitution aux énergies polluantes.

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    Près de
    60 %

    des émissions de gaz à effet de serre sont issues des activités de transport 

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    3,4 Md€

    de fonds publics dédiés à la filière de l’hydrogène décarbonné en France 

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    2016

    Lancement de notre projet de recherche SISTER sur le stockage de l’hydrogène 

L’hydrogène, un incontournable de l’industrie énergétique

Depuis les découvertes de Cavendish et de Lavoisier à la fin du XVIIIème siècle sur la production et la mise en évidence de certaines caractéristiques de l’hydrogène, son usage est resté essentiellement tourné vers des applications chimiques (synthèse du méthanol, de l’ammoniac…) et pétrochimiques (hydrotraitement des carburants) produits à partir d’hydrocarbures fossiles.

L’énergie est au cœur de notre économie. Depuis 200 ans, elle nous est majoritairement offerte par le charbon et par le pétrole avec des conséquences environnementales lourdes. Si nous parvenions à extraire cette énergie de l’eau, elle respecterait notre planète. C’est l’hydrogène qui assurera cette substitution ! Arnold Coppieters Architecte hydrogène et solutions industrielles – Capgemini Engineering

Après deux siècles d’exploitation et de consommation toujours croissante des combustibles fossiles (gaz, pétrole et charbon), les ressources se raréfient et l’atmosphère tousse. Il est plus que temps de donner de nouvelles « couleurs » à l’hydrogène dans le but de mieux appréhender les défis écologiques et économiques à venir.

Les énergies humaines se combinent aux énergies renouvelables pour transformer l’eau en hydrogène.
Depuis plusieurs années, nos experts se saisissent des problématiques de performance, d’efficacité, de sécurité et de durabilité de l’intégralité de la chaîne de valeur de l’hydrogène.
Ces expertises accumulées permettent à nos ingénieurs d’intégrer des solutions adaptées, en adéquation avec les enjeux de la filière hydrogène, allant de sa production jusqu’à son utilisation. "L'hydrogène vient de l'eau et retournera à l'eau."
Guillaume Dupuy de La Grand’rive Solution Manager Sud Ouest France – Capgemini Engineering

Pour répondre à ces défis de taille nous investissons dans des projets de recherche orientés sur l’hydrogène. Nous avons lancé nos premiers travaux dès 2016 et comptons déjà plus d’une vingtaine de projets qui traitent de cette thématique.

En savoir plus sur notre direction recherche & innovation et son programme Future of Energy

L’hydrogène est incontestablement considéré comme un vecteur d’énergie intéressant pour accompagner la transition énergétique vers une neutralité carbone d’ici 2050 (notamment pour les transports car l’autonomie est grande et le temps de chargement réduit).

A travers notre projet SOGREEN, nous souhaitons exploiter le potentiel de l’hydrogène appliqué à la mobilité navale. Objectif : concevoir un catamaran propulsé aux énergies propres. Nos experts réalisent une chaîne propulsive basée sur l’hydrogène et sur d’autres alternatives aux carburants fossiles.

Cependant les défis à relever pour faire de l’hydrogène une solution fiable et acceptable sont de taille. La France dédie une part importante de son plan de relance à l’hydrogène et le gouvernement prend l’ordonnance de ce 17 février 2021 pour poser les bases législatives nécessaires à l’édification d’une filière hydrogène et à l’engagement des investisseurs et des industriels.

ACCÉLÉRER LA DÉCARBONATION DE L’INDUSTRIE

L’hydrogène est le vecteur de décarbonation de l’industrie qui présente le plus grand potentiel. Accélérer la décarbonation est devenu indispensable, c’est un levier de performance de l’industrie française qui doit réussir à se moderniser en réduisant drastiquement son impact écologique.

Les équipes recherche & innovation de notre Technology Engineering Center développent un projet de recherche qui doit permettre la transition en attendant la massification de l’hydrogène. Le projet HyPROPE vise à développer en design-to-cost une turbine hybride à gaz de 200 kW, destinée à la génération électrique pour transports terrestres et maritimes, et potentiellement, pour de petites unités stationnaires.

Ce projet est sélectionné par le Ministère chargé de l’Economie et subventionné à 50% par la BPI. Il s’étend sur deux années et sera mené par une équipe de dix ingénieurs et d’un docteur spécialisé dans la thermodynamique et la machine tournante.

  • Découvrez Hyprope

    HyPROPE est le projet en recherche d’hybridation à l’hydrogène d’une turbine à gaz conçue pour l’entrainement d’une génératrice embarquée sur camions, navires, voire aéronefs et ainsi pour répondre à l’enjeu de performance de ces véhicules.

    La technologie sera adaptée pour faire usage uniquement de carburants dits bas-carbone, en 1er lieu le gaz naturel et l’hydrogène, mais potentiellement également l’ammoniac. Par ailleurs l’impact écologique de l’ensemble de la production, de l’exploitation et du recyclage du produit sera pris en compte dès la phase de conception.

    L’architecture intégrera un récupérateur de chaleur à l’échappement pour préchauffer les gaz comprimés en amont de la chambre de combustion et ainsi atteindre des rendements équivalents aux moteurs diesels utilisés aujourd’hui (50%).

    La cible est la génération d’une puissance électrique de 200 kW, compatible avec un usage sur des poids lourds, mais aussi de petits navires de transports ou de maintenance, notamment pour les parcs éoliens off-shore.

    HyPROPe, sélectionné parmi les lauréats des fonds de modernisation de la filière aéronautique.

Stockage de l’hydrogène, des limites repoussées

Le stockage compte parmi les premiers challenges à relever pour développer l’utilisation de l’hydrogène. C’est un gaz extrêmement léger et donc volatile qui a tendance à s’échapper très facilement de son contenant d’autant plus qu’il est systématiquement mis sous pression.

En conséquence, l’hydrogène est l’élément qui présente le plus grand volume massique. L’hydrogène fournit la même quantité d’énergie que l’essence pour le tiers de son poids mais pour 3000 fois son volume.

Il est nécessaire de le comprimer voire de le liquéfier pour l’intégrer dans un véhicule et dans le meilleur des cas, son volume représente encore quatre fois celui de l’essence à équivalence énergétique.
Par exemple, il faut 1kg d’hydrogène pour parcourir 100 km en voiture et le stockage d’1 kg occupe 26 L.

D’autres solutions de stockage très innovants émergent également de la recherche comme le stockage sur solide adsorbant, les clathrates, etc.

Dès 2016, nous avons lancé le projet SISTER pour concevoir de manière plus fiable, plus sûre et moins chère des solutions pour stocker l’hydrogène indépendamment du mode de production et de l’application visée.

  • Découvrez SISTER

    Avec notre projet de recherche SISTER, nous développons des méthodes outillées pour faciliter la conception de systèmes intégrant le stockage de l’hydrogène en cherchant l’optimum entre performance, coût de fabrication et d’exploitation, et fiabilité des équipements de stockage de l’hydrogène.

    Issu de ce projet de recherche, THySO (Tool for Hydrogen Storage Optimization) est un outil informatique qui permet de dimensionner un système de stockage d’hydrogène, en sélectionnant les meilleures technologies possibles.
    THySO préconise les solutions technologiques optimales en fonction de critères de performance technique, de coût et de sureté, via une bibliothèque de solutions existantes et innovantes.

    THySO permet :

    • d’aider les décideurs à investir dans une solution sécure de stockage H2;
    • d’optimiser la performance des équipements de stockage de l’hydrogène ;
    • d’assurer la fiabilité des systèmes de stockage de l’hydrogène ;
    • de réduire les coûts de fabrication ;
    • de répondre à la réglementation.
SISTER a été le premier projet lancé au sein de la direction R&I sur la thématique spécifique de l’hydrogène. De nombreuses solutions existaient mais seule une approche systémique pouvait permettre de gagner des gains significatifs en termes de performance et de rentabilité sur l’ensemble de la chaîne de valeur pour faire émerger de nouvelles filières intégrant la dimension stratégique du stockage, du conditionnement et de la distribution d’hydrogène. Ce projet a permis d’orienter de nombreux projets du programme Future of Energy au service de ces filières émergentes. Alan Jean-Marie Responsable programme Future of Energy direction R&I France - Capgemini Engineering

Hydrogène et sécurité : une dangerosité à nuancer

L’hydrogène est très explosif, c’est l’élément qui présente le potentiel le plus élevé parmi tous les gaz en termes d’explosivité et d’inflammabilité dans une large gamme de concentration dans l’air. Une fois initiée, la réaction d’inflammation de l’hydrogène avec l’oxygène de l’air peut rapidement détoner avec une propagation de l’onde de choc à plus de Mach 6. Ce risque peut être contré ; l’industriel et l’exploitant se doivent d’analyser les risques et de mettre en œuvre les moyens pour les maîtriser : identification des points d’émission, localisation et ventilation des espaces confinés, mise en place de moyens de détection, d’alarme, d’automatisation et d’action, formation des exploitants…

Dans ces conditions, l’hydrogène présente moins de risques que l’équivalent électrique  stocké en batteries.

Nous possédons une bonne expérience de l’évaluation des risques et de la préconisation technique, organisationnelle et humaine dans le cadre des installations et opérations en atmosphères explosibles auprès des industriels.

A titre d’exemple, nous avons défini et appliqué la politique ATEX pour :

  • un industriel concepteur et producteur de centrales à cycles combinés ;
  • un transporteur de gaz en réseau exploitant des unités de compression pour le stockage et pour le transport.

Accompagner l’industrie dans sa transition

Si l’acceptabilité de l’hydrogène est pratiquement acquise auprès du grand public grâce au contexte économique de la relance et à l’action combinée des institutions, de la recherche et de l’industrie, il faut garder à l’esprit que les enjeux d’autonomie, de stockage et de sécurité feront la différence entre les solutions industrialisables et celles qui resteront des principes.

Nous accompagnons les acteurs de l’industrie dans l’adoption de ce vecteur énergétique pour les aider à relever ces enjeux et leur permettre de développer rapidement les solutions pour produire et consommer à grande échelle un hydrogène plus vert.