Le secteur de l’énergie, comme pour les transports, est un gros consommateur de combustibles fossiles. 85% des ventes mondiales d’énergie sont des combustibles fossiles. Environ 35 000 TWh – 1/3 de la consommation primaire d’énergie dans le monde – sont utilisés pour produire de l’électricité. 2/3 de cette énergie étant perdue dans la transformation, la production n’est donc que de 12 000 TWh d’électricité disponible.
Si nous devions remplacer toutes les centrales électriques existantes par des technologies les plus efficaces du point de vue énergétique sans augmenter leur capacité, les émissions pourraient être réduites de 30%.
Une transition vers les énergies renouvelables est donc nécessaire, mais la production de panneaux solaires et d’éoliennes pour atteindre cet objectif exigerait aussi une augmentation de la consommation d’énergie dans la phase de transition.
L’énergie des combustibles fossiles, en utilisant une méthode de traitement du CO2 qui évite les rejets dans l’atmosphère, pourrait être une solution réalisable pour fournir l’énergie pendant la transition. De l’énergie des combustibles fossiles » sans CO2 » utilisé pour produire des éoliennes et des panneaux solaires serait une utilisation judicieuse des hydrocarbures fossiles.
4.1 Energies renouvelables et hydrogène
Le principal objectif est un système énergétique à base d’énergies renouvelables. Le potentiel est énorme. La quantité d’énergie solaire arrivant sur Terre sur une année est égale à environ 15 000 fois la consommation mondiale d’énergie. Rien que dans la région de Patagonie en Argentine, il y a assez de vent pour produire assez d’hydrogène pour remplacer toute la production mondiale de pétrole. Gamello et al. ont examiné comment utiliser les ressources éoliennes de cette région où le réseau électrique est absent, ou très faible. L’énergie éolienne peut être utilisée pour la production d’hydrogène liquide qui peut être exporté vers le Japon et l’Europe par exemple. [Gamallo et al. 2001]
Les zones particulièrement favorables à la production d’énergie solaire à grande échelle de par leur fort ensoleillement se trouvent entre les Tropiques. Il y a là de grandes régions avec un ensoleillement proche de 2 500 kWh/m² par an.
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Les panneaux solaires et les éoliennes sont devenus très économiques à produire et on pense que les prix vont baisser encore dans les prochaines décennies. Les panneaux solaires et les éoliennes sont tout à fait compétitifs sur certains sites, comparés aux technologies polluantes.
Le marché du panneau solaire croît maintenant si vite qu’il pourrait bientôt y avoir une pénurie de silicium utilisable. Classiquement, le silicium des panneaux solaires est fabriqué à partir des déchets de l’industrie électronique du silicium. Des procédés alternatifs sont en cours de développement permettant de fabriquer du silicium pour panneau solaire de pureté convenable avec une faible consommation d’énergie, et donc en réduisant les coûts de production. Le temps de rentabilité énergétique actuel pour les panneaux solaires cristallins est de 2 à 5 ans et pour les amorphes de 1 à 3 ans. L’objectif est de réduire la quantité d’énergie utilisée à seulement un dixième de la consommation actuelle.
Une autre manière d’utiliser l’énergie solaire est celle des systèmes solaires thermiques. Un liquide est chauffé qui alimente ensuite des turbines à vapeur ou on utilise un moteur Stirling. Dans le désert de Mojave en Californie, neuf centrales produisant sont en fonctionnement depuis plusieurs années. La partie la plus récente de cette installation produit de l’énergie à 0,06 dollar par kWh. Les éoliennes sont devenues moins chères et meilleures et il est possible de produire de l’énergie éolienne à 0,025 dollar par kWh sur certains sites bien ventés.
Il existe aujourd’hui environ 2 milliards d’individus qui n’ont pas accès à un réseau électrique. Ils constituent un marché naturel pour les panneaux solaires. Plusieurs milliers de panneaux solaires sont actuellement installés dans le monde. Rien qu’en Norvège, il existe plus de 10 000 systèmes de ce type, utilisés pour la plupart dans les vigies et les phares. Ces systèmes utilisent classiquement des batteries au plomb pour le stockage de l’énergie puisque les systèmes à hydrogène sont jusqu’à maintenant trop chers. Les batteries au plomb sont encore relativement peu chères pour de petits systèmes ; mais pour les plus grands systèmes, où l’on a besoin de stockage saisonnier ou de gaz, un système à hydrogène ou une solution hybride serait intéressante.
L’hydrogène peut jouer un rôle important dans le stockage et le transport de l’énergie d’origine renouvelable comme le soleil et le vent. Cela pourrait d’abord s’intégrer dans les petits systèmes isolés (SAPS) et éventuellement dans les plus grands systèmes. Les piles à combustible vont être rapidement sur le marché particulièrement pour les systèmes de secours d’urgence. Plusieurs centaines de piles à combustible fonctionnent actuellement dans le monde dans tous les contextes, du petit foyer qui produit de l’électricité et de l’eau chaude aux énormes systèmes produisant des mégawatts.
4.2 Piles à combustible stationnaires
Les piles à combustible ont plusieurs avantages par rapport aux turbines. Les piles à combustible à haute température peuvent utiliser directement du gaz naturel ou du bio gaz sans reformage externe du gaz en hydrogène. Les rejets consistent exclusivement en CO2 et en eau avec la possibilité de séparer facilement l’eau avant que le CO2 soit envoyé au stockage. Les » ultra piles à combustible « , combinaison d’une pile à combustible avec des turbines dans un réseau optimisé, peuvent produire de l’électricité avec un rendement de 70-80%.[Hydrogen and Fuel Cell Letter 1998]
Les piles à combustible sont relativement silencieuses et donc adaptées à la production locale d’électricité. L’avantage réside dans le fait que la chaleur en excès peut être utilisée pour le chauffage et l’eau chaude, et parallèlement les pertes sur le réseau et les besoins de renforcement ou d’extension du réseau électrique sont limités. Le rendement électrique est plutôt élevé même pour de petits systèmes à faible charge. Ce sont les principales qualités que présentent les piles à combustible par rapport à d’autres technologies de production d’électricité.
Un premier marché pour les piles à combustible stationnaires est celui des groupes de secours qui, en cas de défaut du réseau, fournit l’électricité dans les hôpitaux, les plus grands hôtels, les salles informatiques et l’industrie là où les coupures d’électricité peuvent mettre en jeu des vies ou causer des grandes pertes financières. De plus, les vigies et les camping cars où les générateurs de chaleur et d’électricité de petite taille et silencieux sont recherchés peuvent aussi créer un marché dans un premier stade de développement. A l’heure actuelle, le prix d’une telle pile à combustible stationnaire est plus élevé que celui proposé par les technologies concurrentes, mais des projets existent pour installer un grand nombre de ces unités dans les années à venir.
Plusieurs fabricants comme Plug Power, Idatech, Valiant, Sulzer Hexis et d’autres investissent lourdement dans de petites unités stationnaires de production de chaleur et d’électricité. Ces systèmes de première génération utiliseront surtout du gaz naturel et du propane comme carburant. Les exceptions sont les systèmes intégrés dans un SAPS (voir chapitre suivant).
4.3 Systèmes de production d’énergie en site isolé (SAPS)
Dans les zones où il n’existe pas d’accès au réseau électrique, les groupes électrogènes à essence ou Diesel sont d’usage courant. De tels groupes sont relativement peu coûteux à l’achat, mais cher en fonctionnement, particulièrement si l’on tient compte du transport du carburant. Ils sont aussi polluants et plutôt bruyants.
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Une bien meilleure solution consiste à utiliser un système à énergie éolienne et/ou solaire associé à un stockage d’hydrogène. L’usage simultané de l’électricité et de l’hydrogène constitue un vecteur énergétique de haute qualité, sans pollution et efficace – à la fois comme carburant pour les transports et comme source de besoins énergétiques stationnaires. De nombreuses sources d’énergie renouvelable comme l’énergie solaire, l’énergie marémotrice ou l’énergie éolienne varient avec les conditions naturelles, trop rapidement pour pouvoir produire de l’énergie au moment où l’on veut la consommer.
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| Diagramme SAPS | Les systèmes énergétiques utilisant de telles sources doivent donc intégrer un stockage intermédiaire d’énergie. |
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Dans la phase de transition vers un système à énergies renouvelables, il est possible de couvrir tous les besoins en énergie à peu près sans pollution en convertissant l’énergie fossile en électricité et en hydrogène. Un peu d’énergie fossile doit être utilisée pour extraire et séquestrer le CO2 généré durant la combustion. |
Les systèmes de production d’énergie en site isolé sont particulièrement intéressants en combinaison avec des énergies renouvelables dans des sites non raccordés au réseau électrique. Un » système de production d’énergie en site isolé » (SAPS) peut correspondre à différents sites, une vigie ou une île. Ces systèmes sont en général constitués de batteries et de piles à combustible, les batteries absorbant les pointes alors que la pile à combustible assure la fourniture de base. Comme indiqué, il existe plusieurs milliers de SAPS avec des panneaux solaires et des batteries dans des vigies et des phares ici en Norvège. Pour des systèmes plus grands ou pour ceux exigeant une grande quantité d’énergie stockée, il peut être plus économique d’utiliser de l’hydrogène plutôt que des batteries pour stocker de l’énergie. Un avantage de l’hydrogène comparé aux batteries est que l’hydrogène peut être utilisé comme gaz pour la cuisine et comme carburant pour les véhicules.
Un système hydrogène/solaire typique fournira directement de l’énergie quand le soleil brille. Pendant la nuit ou par ciel couvert, l’hydrogène produit à partir du surplus d’énergie alimentera des piles à combustible pour produire de l’électricité. SAPS pourraient être le premier marché à utiliser la pile à combustible à grande échelle. A ce jour, les études ont considéré en premier lieu l’éolien/hydrogène et le solaire/hydrogène.
| Plusieurs systèmes solaire/hydrogène ont été testés dans des projets de démonstration, quelques-uns ayant fonctionné plusieurs années. Le projet Phébus à Julich en Allemagne a fonctionné pendant 8 ans. Le système alimente toute l’année en électricité et en chaleur une bibliothèque. Il utilise une combinaison de batteries et d’hydrogène pour le stockage de l’énergie. L’hydrogène est utilisé pour la fourniture à long terme et est principalement produit en été alors que les batteries fournissent un stockage à court terme. |
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| Figure 17 – Rendement des différentes technologies de production d’électricité – Rendement électrique en % Production en MV |
L’éolien/hydrogène est en cours de test à Stralsung en Allemagne et il existe des projets de plusieurs grandes installations éolien/hydrogène en Norvège et en Argentine. L’Institut Technologique de l’Energie à Kjeller en Norvège a développé un logiciel de simulation de la consommation et de la production d’un SAPS qui peut être utile pour la conception du stockage nécessaire dans de tels systèmes.
Pendant plusieurs années, Bellona a remarqué que la Norvège, de par sa situation proche du grand marché énergétique européen et sa capacité à stocker du CO2 dans des formations géologiques en Mer du Nord, est dans une position unique quand on parle de source d’énergie. [Paris, T.et al., SACS 2000] La quantité de pétrole que la Norvège exporte représente 4% de la consommation mondiale. De plus, la Norvège possède approximativement 40% des réserves à court terme de gaz et est capable de stocker des volumes de CO2 équivalent à plusieurs centaines d’années d’émissions issues du marché de l’industrie et de l’énergie en Europe. Ces points renforcent l’hypothèse que la Norvège dispose d’un avantage compétitif pour être un fournisseur de premier rang d’énergie sans carbone tout en prenant en compte les émissions de CO2 de l’Europe issues de la production classique d’énergie à partir de combustibles fossiles.
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Williams (1996), Socolow (1997) et Block et al. (1997) ne sont que quelques auteurs qui ont relevé les possibilités d’extraire le carbone des combustibles fossiles en utilisant ensuite le CO2 comme agent de mise sous pression dans les champs de pétrole.[Holt et al. 1995] Le concept qu’a présenté Norsk Hydro en Avril 1998 ( » Hydrokraft « ) se situe en partie dans cette perspective.[Hustad 2001] Norsk Hydro proposa de reformer le gaz naturel en un gaz riche en hydrogène pouvant être utilisé dans les turbines à gaz classiques.[Todd et Batista 2000]
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| Les équipements électroniques portables pourraient être le premier grand marché des piles à combustible. | Le CO2 devait être extrait et 4 millions de tonnes réinjectées comme agent de pression dans le champ de pétrole de Grane. Une installation d’une pareille taille, d’une puissance de 1 200 MW et d’une production de 10 TWh avait des avantages, mais le projet n’était pas rentable à cette époque. Néanmoins, le concept fait toujours l’objet d’études. |
Le mot » polygénération » est utilisé de plus en plus pour décrire les intérêts des solutions intégrées. Cela recouvre l’extraction du carbone des hydrocarbures, leur transformation en produits comme l’hydrogène, du gaz de synthèse, de l’ammoniaque, du CO2, de l’électricité et de la chaleur. Les turbines deviennent des unités de puissance intégrées et optimisées dans le cadre de plusieurs procédés.[Pacala et Socolow 2000] On doit souligner qu’il n’y pas que le gaz naturel qui soit adapté à la polygénération.
Le marché pour ces produits alternatifs est en phase de construction. L’Union Européenne a imposé des normes strictes sur la qualité des combustibles actuels alors que la qualité du pétrole brut est plus mauvaise et que les compagnies pétrolières souhaitent utiliser de plus en plus de ce qui était considéré auparavant comme des déchets, » fonds de baril « . Cela implique d’utiliser plus d’hydrogène dans le processus de raffinage. Dans le futur, l’Union Européenne examine aussi l’utilisation de l’HythaneTM (c’est-à-dire du gaz naturel mélangé avec 15% d’hydrogène maximum). Ce sont là les deux méthodes qui peuvent aider à augmenter la valeur marchande de l’hydrogène tout en améliorant la qualité de l’air et en réduisant les émissions de C02.
On accepte de plus en plus l’utilisation du CO2 comme agent de mise sous pression des anciens champs de pétrole en Mer du Nord. Les compagnies pétrolières [CCP 2001] comme les gouvernements montrent un intérêt pour la construction d’une infrastructure C02 [Hustad 2000] qui pourrait réduire les coûts de transport et de stockage.[Wildenborg 2000] Cette part représente environ un tiers du coût total de séquestration.[Undrum et al. 2000] Les réductions de coût dans ce domaine contribuent à une meilleure rentabilité des projets futurs tandis que l’infrastructure accroîtra elle aussi les possibilités d’utiliser le CO2 dans plusieurs projets de réservoirs.
La pile à combustible fera probablement sa plus forte percée comme remplaçante des batteries. Il y a ceux qui prévoient que la pile à combustible remplacera les batteries dans 5 an. La transition vers la prochaine génération de téléphones portables à large bande et les ordinateurs portables puissants exigeront un stockage d’énergie plus important que ce que peuvent fournir les batteries au lithium d’aujourd’hui.
Les batteries au lithium ont déjà atteint leur limite de densité d’énergie. Cela devient un facteur limitant pour les fabricants d’électronique quand les consommateurs demandent des capacités de traitement et une durée de vie de batterie plus importantes. La pile à combustible est plus légère que la batterie quand on compare la quantité d’énergie stockée par kg. Les piles à combustibles sont compatibles avec les téléphones portables, les ordinateurs portables, les caméras vidéo, etc. Le marché potentiel est énorme et lancera la production de masse des piles à combustible. On l’observe déjà dans différents prototypes de multiples fournisseurs, y compris le géant de l’électronique, Sony. Il s’agit aussi d’un marché prêt à accepter un coût plus élevé par kW de puissance que l’industrie automobile et les marchés du stationnaire. Les piles à combustible deviendront donc beaucoup plus rapidement compétitives dans ce marché spécifique.
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Ballard lance la commercialisation de petites piles à combustible de 1,2 kW comme groupes électrogènes. Ces systèmes seront mis sur le marché en 2003. |
