16 avril 2012

L’hydrogène et la ville durable

Des solutions durables au service de la ville de demain

La Road-map technologique Gaz NaturelPerformances Énergétiques, EnR & Production

d’électricité

Écogénérateur Stirling

PAC Hybride

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Feuille de route pour les solutions gaz en résidentiel-tertiaire

- Production combinée chaleur / électricité

- Energie renouvelable en direct (pompe à chaleur gaz) ou par couplage gaz / EnR (solaire thermique ou photovoltaïque)

En plus de l’efficacité des solutions individuelles, optimisation globale à l’échelle des quartiers

- Récupération de la chaleur des eaux usées ou boucle géothermique via des pompes à chaleur gaz naturel

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Amélioration de la performance et intégration des EnR en résidentiel - tertiaire

Développement de la production décentralisée d'électricité et des solutions d’effacement

Développement de la production décentralisée d’électricité

- Rendement inégalé supérieur à 80% contre 50% pour les cycles combinés gaz naturel,

- Production au plus près des besoins qui évite pertes électriques et thermiques

Capacité du gaz à gérer la pointe électrique en offrant des solutions d’effacement

- Pompe à chaleur hybride = petite pompe à chaleur électrique intégrée à une chaudière à condensation

- Capacité de s’effacer pendant les vagues de froid (quelques heures à plusieurs jours)

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MW

Production et importation année 2008/2009

Hydraulique Nucléaire Charbon + Gaz Cogénération Fioul

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Production d'électricité brute hebdomadaire moyenne d'un écogénérateur(kWh)

Production moyenne d’un Ecogénérateur (kWh/semaine)

Puissance hebdomadaire

moyenne(MW)

Chaudière gaz PAC élec

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Biogaz & Biométhane

Biométhane 2G

Biométhane 3G

Hydrogène / Méthane de synthèse

Gazéification-

Méthanation

Phototrophie /valorisation

Méthanisation

Micro AlguesPhototrophie hors sol

Biomasse lignocellulosique(Bois, paille, déchets de bois,….)

Biomasses déchets fermentescibles déchets non fermentescibles

Ressources

Horizon Immédiat 2017 2020 - 2030

Electrolyse/hydrogénation

Electricité renouvelable et CO2

Un réseau qui incorporera de plus en plus d’EnR

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Hydrogène + Gaz Naturel : une vraie valeur de flexibilité et d’arbitrage, un vecteur énergétique pour des villes durables

• Directive européenne 20% EnR à horizon 2020; difficultés liées à la part croissante des EnR intermittentes (production et consommation parfois en décalage → délestages nécessaires)

• Flexibilité/arbitrage nécessaire pour une intégration optimale de ces EnR à moindre coût

L’hydrogène permettrait de valoriser cette électricité « fatale », via les usages gaz naturel

Disposer d’un arbitrage entre différentes utilisations finales pour une gestion couplée et optimisée des énergies électriques et gazières

• Un nouveau vecteur énergétique pour des villes durablesEn mélange (6→20%) l’H2 permettrait de bénéficier, si faisabilité avérée, en

complément du biométhane, d’un gaz plus vert (efficacité énergétique, CO2, préservation ressources primaires)

La synergie des savoir-faire, infrastructures et utilisations gaz naturel permettrait d’introduire à moindre coût une part d’H2 dans le mix énergétique

Une passerelle entre réseaux énergétiques ouvrant la voie à un « Smart Energy Grid » et à une optimisation globale des systèmes électriques et gaziers 7

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2010 2020

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h)

Solaire

Eolien

Hydraulique

Thermique (y compris biomasse)

Nucléaire

Production électrique de la France en 2020

En 2010, les capacités thermiques (1/4 des capacités installées) ne produisent que 12% de l’énergie marge de flexibilité. Toutefois, cette marge va diminuant car les capacités thermiques flexibles vont diminuer (charbon et fuel) entre 2010-2020 (13% des capacités, 11% de la production) alors que la production nucléaire de base et les EnR intermittentes augmenteront.L’énergie éolienne et solaire représenteront 10% de la production ( valeur globale sur l’année).

% électricité SER dans l’électricité totale

produite :

Eolien = 2 % en 2010 Eolien = 9 % en 2020

PV = 0,1% en 2010 PV = 1,0% en 2020

Sources ENERDATA, PAN et vision UFE 2020

EnR intermittent

es

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2010 2020

Eléc

tric

ité

prod

uite

(TW

h)

Solaire

Eolien

Hydraulique (hors step)

Thermique (y compris biomasse)

Nucléaire

Production électrique de l’Allemagne en 2020

Une diminution très importante de la production d’électricité, notamment nucléaire et thermique (objectifs très ambitieux de l’Allemagne)Les énergies éolienne et solaire représenteront 32 % de la production ( valeur globale sur l’année). Ces pourcentages pourront être en réalité inférieurs si la sortie du nucléaire et la diminution des puissances thermiques sont ralenties.

% électricité SER dans l’électricité totale

produite :

Eolien = 7 % en 2010 Eolien = 23 % en 2020

PV = 2% en 2010 PV = 9% en 2020

EnR intermittent

es

Sources ENERDATA et DENA, PAN (EnR 2010 et 2020)

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Types de valorisation de l’électricité

Sources d’électricité

renouvelables ou bas carbone

Valorisation sur le réseau électrique

Electricité excédentaire

= Production H2 par électrolyse, stockage

et distribution carburant

Valorisation Hythane® flotte véhicules (bus,

BOM, etc)

Electricité excédentaire

= Production H2 par électrolyse, stockage

et distribution gazInjection H2 en réseau

de distribution et utilisations gaz

Les bénéfices de la filière GN+H2 pour la ville

durable

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Divers pays s’intéressent au stockage d’EnR via l’H2 injecté en réseau gaz

• A Falkenhagen, une installation pilote destinée à convertir l'électricité éolienne en H2 stocké dans le réseau de transport est en cours de développement par E.ON

Début 2013, 360 m3/h produits et injectés: mélange à 5% en volume de H2

A moyen terme: 15% la totalité de la production actuelle d'électricité d'origine renouvelable pourrait être stockée dans le réseau gazier allemand.

Greenpeace Energy développe en Allemagne l’offre mélange GN/ 5%H2 à partir de fin 2012

a déjà conquis 4000 clients pour cette commercialisation expérimentale

• Injection de 15%vol d’H2 issu de PV en réseau gaz sur l’Ile d’Ameland (Pays Bas)

14 maisons déconnectées du réseau de distribution et alimentées par une conduite à partir du système (électrolyseur - stockage H2 et mélangeur)

Utilisations : chauffage – ECS et cuisson

• Mais également utilisation de gaz de synthèse à partir de Naphta contenant des proportions significatives d’H2 à Hawai et à Hong Kong

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Les principaux enjeux techniques : Enseignements issus du projet NATURALHY

Enjeu sécurité: ne pas dépasser 20%vol d’H2 dans le gaz naturel

Teneur 20% acceptable par : matériaux de réseau, utilisations et compteurs testés 

Mais Pas de test sur matériaux connexes, ni sur utilisations

existantes (dont cuisson) Seule une démonstration permettrait de conclure sur la

faisabilité technico-économique et le pourcentage maximum envisageable, le cas échéant

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Althytude : les bénéfices du carburant Hytane®

Émissions de GES du puits à la roue : • 1559 g éqCO2/km = GNV - 8 % = Diesel - 14 %

Bénéfices de l’H2 sur la combustion moteur à l’échappement :• 0,47 g NOx/km = GNV - 10 % = Diesel - 95 %

Þ Ces deux bus euro III respectent l’euro VI

Þ Économie d’énergie des bus en service sur la ligne : – 657 kWh/100 km = GNV - 7 %

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Althytude : les bénéfices du carburant Hytane®

• L’Hythane® est une solution pragmatique apportant des bénéfices à court terme sur des marchés spécifiques.

• L’Hythane® fait partie des candidats pertinents pour renforcer le développement de transports urbains propres.

• L’Hythane® exploite le savoir-faire et les installations GNV.

• Par simple retrofit, les bus GNV euro III respectent l’euro VI.

• L’Hythane® permet d’introduire une part d’énergie renouvelable : H2 éolien, biométhane, etc.

• L’Hythane® amorce l’introduction de l’hydrogène énergie dans le paysage énergétique, sans investissement lourd en véhicules et infrastructures.

• Fourchette de surcoût à terme, solution mature: 0 à 20 % par rapport au prix du GNV

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Des études techniques et des projets démonstrateurs seraient nécessaires pour établir les impacts et les possibilités de l’utilisation d’H2 avec le gaz naturel, au service de la ville de demain :

Faible densité énergétique volumique

Réglementation à construire

Coûts de production élevés

Impacts réseaux restent à évaluer : % max

Vecteur énergétique non mature d’un point de vue industriel et technologique

Hydrogène énergie pour « relever le défi énergétique du XXIème siècle? »

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Hydrogène énergie pour « relever le défi énergétique du XXIème siècle? » Bénéfices CO2, indépendance énergétique, polluants locaux

Vecteur

Produit à partir de toute énergie primaire dont EnR

Stockable

Multiples applications

Réduction des polluants locaux ; part renouvelable et faiblement carbonée à la chaîne gazière

Complémentarité H2 / gaz naturel

Infrastructures réseau existantes

Vecteur de flexibilité et d’arbitrage de production :

o Régulation et gestion de l’équilibre entre l’offre et la demande

o Sécurisation et optimisation du système électrique

Interconnexions et synergies entre vecteur et infrastructures électriques et gazières

Solution à horizon 2020

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Si faisabilité GN/H2, l’hydrogène pourrait représenter une nouvelle valeur pour …

• les clients finaux utilisateurs de l’énergie gaz naturel qui verraient une réduction encore plus importante de leur empreinte environnementale

• les producteurs d’énergies renouvelables et gestionnaires d’énergie qui disposeraient d’une flexibilité complémentaire pour valoriser leurs productions dans le mix énergétique et une opportunité complémentaire d’ajuster offre / demande

• les énergéticiens et exploitants qui pourraient proposer de nouvelles offres de « gaz vert » à leurs clients

• les collectivités locales qui pourraient mettre en place de nouvelles démarches de création de valeur environnementale et sociétale

• les exploitants d’infrastructures gaz qui pourraient contribuer encore davantage à l’effort général de développement des EnR.

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Merci de votre attention

frederique.lebovits@gdfsuez.com

thomas.muller@grdf.fr

Annexes

Gaz acheminés (1/5) – gaz naturelDes ressources disponibles et diversifiées avec la révolution des gaz non conventionnels mais enjeux environnementaux

Réserves prouvées entre 120 et 250 ans à consommation actuelle

Source : BP Statistical Review 2010 /Kawate et Fujita (Université Tokyo= 2001.

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Gaz acheminés (2/5) – biométhaneGaz EnR: méthanisation mature – gazéification en développement

Méthanisation : valorisation des réseaux de distribution gaz des collectivités locales : vers une économie circulaire territoriale grâce à la valorisation des déchets

Gazéification : le bois sous forme gazeuse au cœur des villes, sans ses inconvénients (pollution de l’air, logistique lourde…)

Biomasse « humide » et non ligneuse

Voie biologiqueBasses

températures (35-55°C)

Méthanisation

Procédé Mature Pilotes industriels

Biomasse « sèche » et ligneuse

Voie thermiqueHaute température

(700°C)

Gazéification + méthanation

Voie thermiqueTrès haute

température (1500°C)

Gazéification + Fischer-Tropsch

Chaleur / Cogénération / Biométhane CarburantIn situ ou via injection réseau

Biocarburant liquide

Rendement 35%-60%

Rendement 55%-70%

Rendement 25%-35%

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Gaz acheminés (3/5) – biométhane d’alguesPerspective après 2020 : combiner traitement des effluents et biométhane

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• Encore au stade de R&D : opérations pilotes en cours de montage.

• Etude du potentiel en France en cours avec l’ADEME, le MINEFI et le MAAP

Ressources (4/5) : hydrogène & syngazPossibilité d’injection d’hydrogène et de méthane de synthèse notamment pour le stockage d’électricité

Stockage d’électricité excédentaire sous forme de :- Hydrogène – jusqu’à 6% d’H2 dans les réseaux gaz sans contrainte

- Méthane de synthèse : méthanation de l’hydrogène 2H2 + CO2 = CH4 + O2

Ouvre la possibilité du stockage saisonnier d’électricité via les stockages souterrains de gaz (+ de 150 TWh / 30% de la consommation actuelle)

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Conclusion sur le distributeur en 2030Le réseau fera le lien entre l’évolution des consommateurs et l’évolution des gaz acheminés. Le distributeur s’y prépare

Evolution des gaz acheminés

• Gaz naturel et non conventionnels

• Biométhane issu de méthanisation ou gazéification

• Biométhane d’algues

Evolution du réseau

• Smart meter• Smart pipe• Smart networks• Smart-men

Evolution des consommateurs

• Bâtiment BBC et BEPOS

• Ecoquartier• Usine de

demain• Mobilité durable• Production

décentralisée

• Le distributeur de demain sera en charge d’un réseau de distribution avancé, capable d’acheminer des gaz « verts », exploité par des « smart-men » au service de consommateurs finaux exigeants

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