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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
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). l
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. 
Pour tenter d'y voir plus clair, il convient tout d'abord de définir ce qu'est le coût de l'hydrogène puis de le calculer en explicitant toutes les hypothèses. C'est l'objet d'une étude présentée dans un document daté de septembre 2023 : Le coût de l’hydrogène produit par électrolyse – une analyse  On a besoin de faire une hypothèse sur la valeur de l'électricité exportée ou utilisée à autre chose, comme la production de chaleur.

Un système électricité, hydrogène et chaleur
Il  ya 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.
On connaît le coût de production d'hydrogène ou de chaleur produits sans utiliser l'électricité du réseau.
Il est alors possible de calculer les dépenses totaler 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.
Ce système a été étudié en novembre 2023. L'étude a été reprise en 2024 avec des éléments nouveaux qui modifient beaucoup les résultats.
Il peut être intéressant de produire beaucoup de chaleur à partir de l'électricité dite "excédentaire" du réseau électrique et de l'introduire dans un stockage de longue durée si l'exportation de cette électricité est mal valorisée et si cette production de chaleur s'accompagne de production de froid.

Ici l'étude électricité, hydrogène, chaleur de novembre 2024


Le éléments nouveaux entre l'étude de 2023 et l'étude de 2024





Une analyse de ce qui fait le coût de l'hydrogène.  
Le coût de production de l'hydrogène - une analyse  septembre 2023
Les publications sur le coût de production de l'hydrogène ne manquent pas.
Cette étude apporte quelque chose de différent :
- une méthode pour calculer le coût de production de l'hydrogène dans le cadre du système intégré de production d'électricité et d'hydrogène : on compare les dépenses de deux systèmes de production d'électricité et d'hydrogène qui répondent à la même demande finale d'électricité et qui diffèrent par la production d'hydrogène ; le coût de l'hydrogène est la différence de dépenses rapportée à la différence de production d'hydrogène.
- 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-ce 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.  
L'ensemble des hypothèses de la situation de référence retenue dans cette étude sans production d'hydrogène  est  ici.  Le  logiciel de simulation est ici

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 producton 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 eensemble 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.

Une curiosité : cette étude montre comment "démontrer" que l'hydrogène produit par électrolyse peut dans certains circonstances être inférieur à 2 €/kg ! C'est illusoire car, dans ce cas, la consommation finale d'électricité "subventionne" la production d'hydrogène : elle paie l'électricité plus cher que sans production d'hydrogène.



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 



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.





Les élément nouveaux entre l'étude de novembre 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.
En 2023, il apparaissait que, pour produire de la chaleur à partir d'électricité excédentaire et la stocker, les pompes à chaleur étaient trop coûteuses et que les chaudières électriques seraient intéressantes mais seulement si le coût du stockage est bas, par exemple en élevant la température de réservoirs hydrauliques utilisés par des réseaux géothermiques existants, ce qui limitait la portée pratique de cette solution.
En novembre 2024, l'étude suppose que les pompes à chaleur qui mettent de la chaleur en stock hors période de chauffage sont employées pour élever la température de la chaleur déstockée avant de l'introduire dans le réseau de chaleur. Ces m^mes pompes à chaleur peuvent aussi, en cas de besoin, apporter un complément pendant la priode de chauffe en puisant de la chaleur dans l'environnement. Par ailleurs, pour mettre de la chaleur en stock; les pompes à chaleur peuvent la puiser dans des locaux que l'on souhaite rafraîchir. Ainsi utilisées, les pompes à chaleur sont économiquement plus intéressantes que des chaudières électriques avec des capacités de stockage de chaleur qui approchent la consommation annuelle du réseau de chaleur.Et un réseau de chaleur et de froid peut être moins coûteux que la productoin de chaleur et de froid  par des PAC réverstibles sur le lieu de consommation.

Par ailleurs, l'étude faite en novembre 2023 utilisait une chonique horaire des besoins de chaleur qui rendait bien compte des variations intersaisonnières mais était asses schématique. Un an plus tard, la chronique utilisée est beaucoup plus représentative de la réalité.
L'étude électricité hydrogène chaleur  novembre 2023


Cette version, postée le 24 novembre, en remplace une autre qui donnait à la chaleur déstockée d'un stockage intersaisonnier une valeur beaucoup trop élevée.

 

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'étude considère ensemble la production d'électricité, d'hydrogène et de chaleur.   Elle se trouve ici : L'étude électricité hydrogène chaleur   Le tableau complet des hypothèses et les résultats d'une trentaine de simulations est ici : hypothèses et résultats

A noter : dans cette étude, une des hypothèses sur le stockage de chaleur est à revoir, ce que l'on a appelé un stockage "moins de six jours", sous la forme de bassines semi-enterrées. Par ailleurs, la courbe de consommation de chaleur des réseaux de chaleur, si elle rend bien compte des variations intersaisonières, est sommaire.

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 capacités de production d'électricité d'une part et, d'autre part, d'hydrogène et de chaleur produits à partir de l'électricité du réseau qui permettent de répondre à la demande au moindre coût.

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.
Valeur d'usage de la chaleur produite à partir d'électricité : si elle est utilisée directement ou si elle passe par un stockage de courte durée : 80 €/MWh (ou 120 €/MWh). Si elle passe par un stockage de longue durée, elle est à plus basse empérature ; sa valeur est inférieure à 40 €/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 résevoirs géothermiques existants ; la création de stockage souterrain dans les roches est trop coûteux.
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