L'hydrogène peut contribuer à l'autonomie énergétique des îles... en produisant du froid

L'hydrogène permet de transporter et stocker l'énergie, et est aujourd'hui considéré comme un axe majeur de développement de notre futur mix énergétique. En territoire insulaire, sa production locale à partir de ressources d'origine renouvelable trouve tout son sens. Au-delà de l'axe bien maîtrisé de production d'électricité à partir de l'hydrogène stocké potentiellement sur de longues durées, nous développons actuellement un système qui permettrait aussi la production simultanée de froid.

Il s'agit donc de développer un système autonome permettant d'assurer la fourniture en électricité et en climatisation d'un logement ou local tertiaire situé en territoire insulaire. Le soleil est la source d'énergie primaire : l'énergie électrique produite par des panneaux photovoltaïques est utilisée directement ou stockée dans des batteries pour des besoins court terme, ou sous forme d'hydrogène pour des besoins plus long terme.

Au moment où l'on a besoin d'électricité, on utilise une pile à hydrogène : l'hydrogène réagit avec l'oxygène de l'air de manière contrôlée. Cette réaction permet donc la production d'électricité, mais aussi d'eau et de chaleur, car elle est « exothermique ».

Cette chaleur (de même que celle produite lors de la réaction d'électrolyse de l'eau lors de la phase de stockage) peut être stockée à son tour, ce qui permet de l'exploiter ultérieurement pour la transformer en froid, sans apport extérieur d'énergie. Le « réacteur thermochimique » est lui-même intégré dans une pompe à chaleur traditionnelle, l'ensemble étant conçu pour permettre une optimisation fonctionnelle dans toutes les conditions opératoires, en présence et en absence d'énergie solaire.

Le défi de l'énergie dans les régions isolées

Dans la plupart des régions, les réseaux énergétiques sont interconnectés pour améliorer leur stabilité. À l'échelle européenne par exemple, ceci permet d'équilibrer une région où il y aurait un surplus de production d'électricité (beaucoup de vent par exemple) avec des régions où il y aurait momentanément un déficit de production.

Les régions isolées, et en particulier les îles, constituent un cas particulier puisqu'elles sont par nature isolées des réseaux continentaux. Ces régions ont donc des systèmes de gestion de l'énergie bien particuliers, et peuvent notamment être gérées grâce à des « microréseaux isolés ». Cette isolation des réseaux électriques limite considérablement le taux de pénétration des énergies intermittentes, comme les énergies solaires et éoliennes par exemple.

L'idée du stockage de l'électricité produite par des énergies renouvelables intermittentes à l'aide du vecteur hydrogène dans ces microréseaux n'est pas nouvelle. L'originalité réside ici dans le couplage des trois vecteurs électricité, thermique et hydrogène pour la trigénération : production d'électricité, production de chaleur et/ou production de froid. Cette approche doit permettre notamment d'augmenter les rendements énergétiques des piles à combustible et des électrolyseurs d'eau, et de manière générale du système complet, en valorisant la chaleur produite lors des réactions électrochimiques.

Schéma de principe du dispositif RECIF : l'électricité générée grâce à l'énergie solaire photovoltaïque est utilisée pour charger des batteries ou générer de l'hydrogène (solutions de stockage) ou pour alimenter des pompes à chaleur ou des bâtiments. Ce système électrique est couplé à un système thermique de stockage et de production de froid. Auteurs, Fourni par l'auteur

Notre système a tout d'abord été conçu, réalisé, optimisé et testé à Belfort. Il a été ensuite conteneurisé et a pris le bateau direction Tahiti. Arrivé début 2021, il a été installé sur le site de l'Université de Polynésie française, au laboratoire GEPASUD pour les phases de test et d'évaluation opérationnelle du système en conditions d'usage réelles. En effet, Tahiti est un site à la fois insulaire et tropical, où la ressource solaire est abondante toute l'année, mais caractérisée par une forte intermittence et où la climatisation représente une part importante de la consommation globale d'électricité.

La variété des technologies de stockage, clef de voûte d'un système résilient

Pour compenser la fluctuation des énergies intermittentes, des éléments de stockage sont indispensables. Les techniques de stockage sont très variées et se caractérisent par leur nature (électrique, chimique, mécanique, thermique notamment) et par leurs performances en termes de rendement, de capacité de stockage, de temps de charge/décharge et de réaction, de durée de vie, d'autonomie et de retour sur investissement. La diversité des cahiers des charges est telle qu'il n'existe pas un système de stockage « idéal ».

Face aux limites des systèmes existants de stockage thermique et électrique, une nouvelle approche scientifique proposant la définition et l'optimisation d'un système complexe intégrant plusieurs composants aux caractéristiques différentes et complémentaires est ici explorée, dans ce projet RECIF. Les procédés de stockage thermochimique, les piles à combustible et électrolyseurs couplés à un stockage d'hydrogène constituent, dans ce cadre, des solutions innovantes et prometteuses.

Les procédés thermochimiques sont particulièrement pertinents pour le stockage/production de froid de par leur flexibilité de fonctionnement et leur forte densité énergétique effective de stockage. De tels procédés sont basés sur des réactions chimiques solide/gaz renversables, c'est-à-dire que l'on peut les effectuer dans un sens ou dans l'autre selon les conditions d'opération. Ils permettent in fine de stocker de l'énergie, thermique ou mécanique sous la forme d'un potentiel chimique afin de permettre une production différée directe de froid.

Ainsi, il est possible de valoriser l'énergie thermique libérée par les réactions électrochimiques existantes au sein des piles à combustible et des électrolyseurs, dans un objectif ultime d'augmentation significative de leur « efficience énergétique » (plus large que la seule « efficacité énergétique », car incluant également des notions de recyclabilité et d'analyse en cycle de vie).

Un système d'intelligence artificielle pilote les flux énergétiques au sein du système complet, en intégrant la prévision de la ressource solaire et de la demande en électricité et froid à différentes échéances. L'objectif de cet outil de gestion, en développement, est d'utiliser au mieux les caractéristiques de chaque sous-système, dans l'objectif d'en maximiser l'efficience énergétique et économique ainsi que la durabilité.

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(*) Par Daniel Hissel, Professeur des Universités, Directeur-Adjoint fédération nationale hydrogène CNRS, Responsable équipe SHARPAC/FEMTO-ST, Université de Franche-Comté - UBFC ; Driss Stitou, Ingenieur de Recherche CNRS, HDR - Thermodynamique, Energetique, Procédés de conversion/stockage thermochimique, Centre national de la recherche scientifique (CNRS) et Pascal Ortega, Professeur en Physique, Université de la Polynésie Française

Cet article a été coécrit avec Sébastien Faivre, ingénieur et Président directeur général chez H2SYS, Belfort.

La version originale de cet article a été publiée sur The Conversation.