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Une présentation aux
jeunes de IESF le 13 janv 2024 |
Electricité,
hydrogène, chaleur Deux
études Une analyse
du coût de production d'hydrogène par électrolyse : un système électricité et hydrogène nov. 2023 Pour
répondre à la consommation finale, considérer ensemble la production et la
consommation d'électricité, d'hydrogène et de
chaleur Le coût de production de
l'hydrogène par électrolyse - une analyse : un système électricité et
hydrogène Il est facile de calculer
approximativement le coût de l'hydrogène produit par électrolyse avec une
source d'électricité dédiée si l'on connaît le coût de l'installation
d'électrolyse, le rendement de l'électrolyse et le coût de
l'électricité. L'outil de simulation publié sur ce site permet
d'ajuster efficacement la capacité de production d'électricité nucléaire ou
éolienne ou photovoltaïque, la capacité de l'électrolyse et les possibilités
de stockage d'électricité (en GWh) et d'hydrogène (en pourcentage de la
production annuelle). Lorsque l'électricité est prélevée
sur le réseau électrique, c'est plus compliqué. Il est possible de
"démontrer" que, dans certaines circonstances, le coût de
production d'hydrogène est de 1 € par kilo et que dans d'autres, il est de 7
€/kg. Un système électricité,
hydrogène et chaleur
Il y a une demande
d'électricité d'hydrogène et de chaleur (pour les réseaux de chaleur).
L'hydrogène et la chaleur peuvent être produits à partir de l'électricité du
réseau électrique ou par d'autres voies. Il est alors possible de calculer
les dépenses totales permettant de répondre à la demande finale
d'électricité, d'hydrogène et de chaleur, l'hydrogène et la chaleur étant
produits à partir de l'électricité du réseau électrique ou par d'autres
moyens. Ici
l'étude électricité, hydrogène, chaleur de novembre 2024 |
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Le coût de
production de l'hydrogène - une analyse faite en novembre
2023 Les publications sur le coût de
production de l'hydrogène ne manquent pas. - un outil de
simulation
qui permet à chacun d'analyser ce qui fait le coût de l'hydrogène ; elle
permet aussi à chacun de tester ses propres hypothèses - le
résultat de ce calcul dans un grand nombre de configurations différentes
: la comparaison des résultats montre l'effet des différents paramètres ;
notamment le coût de l'installation d’électrolyse, la constitution du parc de
production d'électricité, les quantités d'hydrogène produites, la valeur de
l'électricité exportée ou utilisée pour autre chose que la production
d'hydrogène. Cet outil de simulation permet
aussi de calculer le coût de production d'hydrogène par électrolyse lorsque celle-ci
est produite à partir d'une source d'électricité
qui lui est dédiée - avec éventuellement une capacité de stockage
d'électricité lorsque la source d'électricité est fluctuante. - une
question nouvelle : la valeur de
l'électricité qui ne sert pas à produire de l'hydrogène L'étude est présentée ici : Une analyse de
ce qui fait le coût de l'hydrogène. Calculer les dépenses du système
de production d'électricité et d'hydrogène évite d'avoir à se prononcer sur
la valeur de l'électricité consommée par l'électrolyse. Mais les dépenses du
système se calculent en faisant une hypothèse sur la valeur de
l'électricité qui n'est pas consommée par autre chose ou exportée. Le coût de
production d'hydrogène en dépend donc. Dans cette étude on a fait deux
hypothèses (20 €/MWh ou 40 €/MWh) en sachant qu'il serait préférable d'aller
plus loin. On a donc esquissé une réflexion pour donner une valeur à une
électricité qui serait utilisée pour produire de la chaleur pour les réseaux
de chaleur ou l'industrie. A ce stade, ce n'est qu'une amorce pour proposer
une méthode de calcul. Cette question a été abordée dans une autre étude qui considère ensemble
production, stockage et consommation d'électricité, hydrogène et chaleur,
l'hydrogène et la chaleur pouvant être produits à partir de l'électricité du
réseau électrique ou d'une autre façon. L'électricité et l'hydrogène dans l'ensemble du système de production et de consommation
d'énergie : pour situer l'hydrogène dans l'ensemble du système de
production et de consommation d'énergie, il est commode d'utiliser un tableur
qui permet à chacun de dresser avec ses propres hypothèses un tableau croisé
de consommation d'énergie par type d'énergie et par secteur d’utilisation : cf. ici.
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Considérer
ensemble la production d'électricité, d'hydrogène et de chaleur - novembre
2024 Pourquoi
simuler un système de production d’électricité, d’hydrogène et de chaleur Une
présentation du logiciel de simulation du système électricité-hydrogène et
chaleur, SimelSP5 |
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Pourquoi simuler un système
de production d’électricité, d’hydrogène et de chaleur Il est possible de stocker de la chaleur, soit pour
quelques heures (ainsi avec les ballons d’eau chaude), soit pour quelques
semaines ou quelques mois en redonnant de la chaleur aux réservoirs
souterrains utilisés en géothermie, soit en réchauffant des roches à quelques
centaines de mètres de profondeur. Des pompes à chaleur réversibles (PAC) peuvent, en
saison chaude, prendre la chaleur dans les locaux que l’on souhaite
rafraîchir et la réinjecter dans le stockage de chaleur. En saison froide,
les mêmes PAC prennent cette chaleur dans le stockage et la remontent en
température pour l’injecter dans le réseau de chaleur. Les PACs peuvent aussi injecter directement de la chaleur
dans le réseau de chaleur en la puisant dans le milieu ambiant sans passer
par le stockage. De la sorte, la production de chaleur s’ajoute à la
production d’hydrogène pour bien utiliser des possibilités de production
d’électricité variables et incontrôlables. La production et le stockage d’électricité, et
d’hydrogène et de chaleur produits par de l’électricité forme donc un système. Pour répondre à une demande finale d’électricité,
d’hydrogène et de chaleur, ce système n’est pas isolé car il est possible de
produire de l’hydrogène et de la chaleur sans l’électricité du système
électrique, et il est possible d’exporter de l’électricité. Les ordres de grandeur que l’on peut raisonnablement
envisager dans les vingt ou trente à venir suggèrent qu’il est intéressant
d’étudier cela « sur le papier ». Les
ordres de grandeur à l’échelle française : consommation actuelle et
raisonnablement calculable à l’avenir : consommation finale
d’électricité : aujourd’hui 420 TWh/an ; d’ici vingt ou tente ans entre 500 et 700 TWh/an ; la consommation
d’hydrogène aujourd’hui, produit à partir de gaz : 1 Million de tonnes
par an (Mt/an) ; la production possible d’hydrogène à partir de
l’électricité du système : de 0,7 à 1,5 Mt/an ; la consommation de
chaleur par les réseaux de chaleur : aujourd’hui 20 TWh/an ;
possibilité de production de chaleur pour les réseaux de chaleur à l’aide de
l’électricité du réseau électrique : 100 à 200 TWh thermique par an avec
50 à 100 TWh électriques ; les possibilités d’exportation : autour de
100 TWh. Un système électricité-hydrogène-chaleur peut être
étudié à l’échelle locale ; les dépenses d’infrastructure (conduites, PACs, dépenses pour le stockage, etc.) dépendent de
chaque situation. Il faut aussi faire une hypothèse sur le prix de
l’électricité selon le type de contrat passé avec le fournisseur ; il
faut également tenir compte des différentes taxes, du coût du financement et
des aides financières A l’échelle nationale, on calcule les dépenses du
réseau électrique et les dépenses d’investissement pour l’hydrogène et la
chaleur produits à partir de l’électricité du réseau et l’on introduit le
coût de l’hydrogène et de la chaleur produits sans utiliser l’électricité du
réseau électrique. On introduit aussi la valeur des exportations. On calcule alors l’ensemble des dépenses qui
permettent de répondre à ne demande finale d’électricité, d’hydrogène et de
chaleur. Ce sont les dépenses du système électricité hydrogène et chaleur et
les dépenses pour produire par d’autres moyens ce qu’il faut d’hydrogène et
de chaleur pour répondre à la demande finale. Avec cette méthode, il est inutile d’essayer de
donner un coût à l’électricité utilisée pour produire de l’hydrogène ou de la
chaleur. Et il est possible de comparer des systèmes de production
d’électricité, d’hydrogène et de chaleur qui peuvent être très différents
car, complétés comme il faut, ils répondent tous à la même demande finale. Si les simulations à l’échelle nationale montrent
l’utilité de réseaux de chaleur et de froid utilisant l’électricité du
réseau, le pouvoir politique fera en sorte que chacune des parties prenantes
y trouve un intérêt. Il en a les moyens : tarification, fiscalité, aides
financières et réglementation. Il en est de même à l’échelle
européenne, du moins si l’on ne tient pas compte des limites de capacité des
lignes électriques entre les territoires nationaux, les
« interconnexions ». A l’échelle de la « plaque
européenne », la part des productions intermittentes est plus grande
qu’à l’échelle française et il n’y a guère d’exportation, ce qui renforce le
rôle de la production de chaleur. |
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Les éléments nouveaux entre l'étude de novembre 2023 et
l'étude de novembre 2024, Ce sujet abordé en novembre 2023 a été repris en 2024 avec deux éléments nouveaux qui
modifient profondément les conclusions. Par ailleurs, l'étude faite en novembre 2023
utilisait une chronique horaire des besoins de chaleur qui rendait bien
compte des variations intersaisonnières mais était
assez schématique. Un an plus tard, la chronique utilisée est beaucoup plus
représentative de la réalité. |
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L'étude
électricité hydrogène chaleur novembre 2023 |
Considérer ensemble
la production d’électricité, d’hydrogène et de chaleur - novembre 2023 Avertissement : cette étude a été reprise en 2024 sur les mêmes bases mais avec des
éléments nouveaux qui en modifient beaucoup les conclusions. - voir ici. Ici, l'objet de l'étude n'est pas de calculer le
coût de production d'hydrogène.
L'objet de l'étude Sachant
que - il existe une demande d'électricité de 580
TWh (de consommation finale), d'hydrogène de 2 millions de tonnes par
an et de chaleur (pour les réseaux de chaleur et l'industrie) de 50
TWh par an ; - il existe par ailleurs une possibilité
de produire de la chaleur et une possibilité de produire de l'hydrogène dont
on connaît les coûts ; cette production d'hydrogène peut être par électrolyse
avec une source d'électricité dédiée ou à partir de gaz fossile avec
séquestration du gaz carbonique ou à partir de biomasse avec ou sans
séquestration du gaz carbonique ; - la capacité nucléaire est limitée
à 60 GW ou n'est pas limitée ; ou encore : pour avoir une image du
système électrique européen (y/c le Royaume Uni, la Suisse et la Norvège), la
capacité nucléaire est réduite à 40 GW calculer
Les
hypothèses sont adaptées à la situation française. Mais la méthode peut
s'appliquer à l'échelle européenne. Alors la part du nucléaire est moindre et
il n'y a pas d'exportations. Les jeux d'hypothèses Coût de la chaleur externe :
80 €/MWh, avec un coût de projecteur sur 120 €/MWh. Coût
de l'hydrogène externe au réseau électrique : 3,5 €/kg ou 5 €/kg. Coût
du stockage de chaleur : pour une courte durée, un stockage en grandes
bassines semi-enterrées ; l'investissement est en annuité de 33 €/MWh/an.
Pour un stockage sur plusieurs mois, utiliser les réservoirs géothermiques
existants ; la création de stockage souterrain dans les roches est trop coûteuse. Coût de l'installation d'électrolyse : 2000 €/kW. Une
hypothèse de 700 €/kW n'est pas réaliste. Parmi les résultats Pour la plupart, ces résultats sont intuitifs : l'étude permet
de les chiffrer et de voir dans quelle mesure ils sont sensibles à différents
paramètres. - Si le coût externe de l'hydrogène est 3,5 €/kg et si le coût
de l'électrolyse est 2000 €/kW, il est trop coûteux de produire de
l'hydrogène avec une électrolyse alimentée sur le réseau ; alors les
possibilités excédentaires de production d'électricité ne servent qu'à
produire de la chaleur ou sont exportés. Dans la suite, le coût externe de l'hydrogène est 5 €/kg. - Si la capacité nucléaire est limitée à 60 GW, il serait
inutilement coûteux de produire plus d'un million de tonnes d'hydrogène par
an. - Lorsque la chaleur produite par l’électricité ne passe pas par un stockage intersaisonnier coûteux, la valeur de l'électricité servant à la produire est élevée. Il est alors plus avantageux de produire de la chaleur que de produire de l'hydrogène ou d'exporter. - Si la capacité nucléaire est libre, parmi les parcs de
production qui permettent de minimiser les dépenses totales (la consommation
finale d'électricité est 580 TWh) : 83 GW nucléaire, 30 GW d'éolien, pas de
photovoltaïque. La production d'hydrogène est 1 million de tonnes par an ;
celle de chaleur est 24 TWh. Des parcs de production différents peuvent conduire à des
dépenses proches. A l'échelle européenne La part de nucléaire est moindre qu'à l'échelle française. Pour
représenter cela, supposons que, à l'échelle française, la capacité nucléaire
soit seulement de 40 GW. Les capacités éolienne et photovoltaïque seraient
alors très supérieures. La production d'hydrogène serait de 1,4 Mt/an et la
production de chaleur de 22 TWh/an. Sans exportations possibles, les
possibilités abandonnées seraient de 60 TWh. L'étude électricité
hydrogène chaleur Le tableau complet des hypothèses et les
résultats d'une trentaine de simulations est ici : hypothèses
et résultats |
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