Mélanger l'hydrogène avec le gaz naturel : le chemin vers un avenir énergétique durable

Alors que la société vise un monde plus propre et neutre en carbone, l'intégration des systèmes énergétiques devient de plus en plus importante. L'Hydrogène devrait jouer un rôle clé dans cette transition. On peut le produire à partir d'énergies renouvelables et l'utiliser dans diverses applications dans plusieurs secteurs. Cependant, pour l'instant, il n'y a pas assez d'installations pour produire, stocker ou transporter l'hydrogène provenant de sources renouvelables, et la demande est encore limitée. À l'avenir, pour relier les lieux de production d'hydrogène et ceux où il est nécessaire, il pourrait être envisageable d'adapter et d'élargir les pipelines de gaz existants en Europe.

Dans la phase initiale de développement du secteur de l'hydrogène, surtout dans les années 2020 et au début des années 2030, on envisage d'incorporer l'hydrogène avec du Gaz naturel dans les pipelines. Cet article examine comment ce mélange d'hydrogène et de gaz naturel peut influencer la croissance du secteur de l'hydrogène et quelles techniques de modélisation peuvent être utilisées pour étudier cela.

Pour cela, un modèle flexible a été créé pour analyser ensemble les secteurs de l'énergie, du gaz naturel et de l'hydrogène. Ce modèle inclut une nouvelle façon de comprendre les Flux de gaz, surtout quand on mélange l'hydrogène et le gaz naturel. Une étude de cas montre que ce mélange peut aider à dynamiser la croissance du secteur de l'hydrogène. Toutefois, si on ignore les aspects techniques détaillés des flux de gaz, cela pourrait mener à une mauvaise planification et à des problèmes opérationnels, affectant non seulement le secteur de l'hydrogène mais aussi celui de l'énergie.

Le passage vers des sociétés zéro carbone demande des changements de la part de la société et une transformation des systèmes énergétiques. L'Union Européenne (UE) mène cette transformation, visant la neutralité climatique d'ici 2050. Pourtant, des enjeux comme la crise énergétique actuelle causée par des événements géopolitiques ont mis en avant la sécurité énergétique et l'accessibilité, nécessitant une attention immédiate.

En plus d'étendre les sources d'énergie renouvelable, réduire la dépendance au gaz naturel et intensifier le secteur de l'hydrogène sont des étapes cruciales pour atteindre les objectifs 2030 fixés par l'UE. L'UE veut produire 10 millions de tonnes d'hydrogène renouvelable et en importer 6 millions de tonnes (plus 4 millions de tonnes d'ammoniaque) d'ici 2030. Pour réaliser cette vision, une infrastructure substantielle est nécessaire, y compris 65 GW d'électrolyseurs liés à 41 GW d'énergie éolienne et 62 GW d'énergie solaire. Cela pose de nombreux défis techniques et économiques.

Une question clé est de savoir où placer les installations de production d'hydrogène : près des sources d'énergie renouvelable ou près de la future demande d'hydrogène ? Il y a encore beaucoup d'incertitudes concernant la demande d'hydrogène car il peut être utilisé de plusieurs manières, que ce soit pour stocker de l'énergie renouvelable excédentaire ou comme matière première pour diverses industries, y compris la production d'acier et la création de carburants.

En plus de la manière dont l'hydrogène est produit, son transport joue un rôle majeur dans la croissance du secteur. Lors des premières étapes de développement de l'hydrogène, l'utilisation des pipelines de gaz existants en Europe pour mélanger l'hydrogène avec du gaz naturel semble prometteuse. Le mélange est déjà autorisé à certains endroits pour des quantités limitées, comme 10 % en Autriche et potentiellement 20 % au Royaume-Uni.

Cet article cherche à répondre à deux questions principales :

1. Comment les modèles de systèmes énergétiques peuvent-ils représenter le mélange du gaz naturel et de l'hydrogène, et quel impact les détails techniques ont-ils sur la planification d'une expansion ?
2. Comment le secteur de l'hydrogène peut-il croître de manière rentable, surtout au début quand il n'y a pas encore de demande dédiée en hydrogène ?

Pour répondre à ces questions, un nouveau cadre a été créé pour modéliser comment le gaz naturel et l'hydrogène se mélangent sur la base des flux de gaz en régime permanent. Le modèle évalue comment le mélange peut aider à élargir le secteur de l'hydrogène. Il souligne l'importance de capturer les détails techniques pouvant influencer la faisabilité opérationnelle du système énergétique.

#Revue de la littérature

Cette revue examine les modèles de systèmes énergétiques existants en se concentrant sur la manière d'élargir l'infrastructure de l'hydrogène pendant les premières étapes du secteur. Plus précisément, elle analyse la gestion des flux de gaz, ce qui est crucial pour le mélange de l'hydrogène avec le gaz naturel.

Les recherches montrent que les modèles de systèmes énergétiques traditionnels pourraient ne pas être adaptés pour relever les défis de plus en plus complexes de la création d'un paysage énergétique plus durable. De nombreux modèles se concentrent soit sur la fiabilité à court terme, soit sur l'expansion à long terme, en négligeant souvent le besoin d'une représentation détaillée des aspects techniques, surtout concernant l'hydrogène.

#Modèle de système énergétique proposé

Un modèle d'optimisation intégré des systèmes énergétiques a été proposé pour minimiser les coûts totaux dans les secteurs de l'énergie, du gaz naturel et de l'hydrogène. Ce modèle est modulaire et flexible, permettant une représentation détaillée de chaque secteur et de leurs connexions, comme les unités d'électrolyse, les piles à hydrogène et les centrales à gaz.

Une contribution originale de ce modèle est sa manière détaillée de représenter le mélange de gaz naturel et d'hydrogène pour le transport par pipeline. Cette approche vise à offrir une planification plus précise de l'infrastructure gazière, y compris son impact sur le secteur de l'hydrogène.

#Structure temporelle

Le modèle permet une flexibilité dans la représentation du temps, que ce soit en considérant chaque heure de l'année ou en utilisant des périodes représentatives. Cette flexibilité est cruciale pour modéliser avec précision la demande et l'offre d'énergie, en particulier pour les technologies de stockage.

#Fonction objectif et contraintes

L'objectif du modèle est de minimiser les coûts totaux du système, en tenant compte de divers facteurs dans les secteurs énergétiques. Cela inclut les coûts de production, d'exploitation, d'entretien et d'investissement pour différentes sources d'énergie. Le modèle permet le remplacement du gaz naturel par de l'hydrogène, facilitant une évaluation plus simple des coûts et bénéfices potentiels.

#Aperçu du secteur du gaz naturel

Le modèle de système énergétique examine comment la demande de gaz naturel peut être entièrement fournie à partir de puits de gaz, avec des implications pour l'efficacité côté offre. Le modèle permet un mélange de gaz naturel et d'hydrogène, reconnaissant le besoin d'un contenu énergétique suffisant dans le mélange final.

#Aperçu du secteur de l'hydrogène

Le secteur de l'hydrogène du modèle inclut diverses méthodes de production, en particulier l'électrolyse de l'eau et le reformage du gaz naturel. Le modèle aborde le potentiel de stockage de l'hydrogène, avec des options de stockage à court et à long terme.

#Modèle de réseau gazier

Le réseau de transmission de gaz relie les sites de production aux endroits de demande et permet le mélange de l'hydrogène et du gaz naturel. Le modèle vise à créer une représentation réaliste des relations de flux de gaz et de pression dans les pipelines.

#Études de cas

Deux études de cas significatives ont été réalisées pour analyser l'efficacité du modèle proposé dans la planification des systèmes énergétiques.

1. La première étude de cas examine l'impact de différentes formulations de flux de gaz sur les décisions de planification concernant le secteur de l'hydrogène. Elle met en lumière comment les taux de mélange influencent les décisions d'expansion et les faisabilités opérationnelles.

2. La deuxième étude de cas se concentre sur la manière de faire croître efficacement le secteur de l'hydrogène. Elle explore comment le mélange d'hydrogène avec du gaz naturel peut influencer l'intégration du secteur et la performance globale du système.

#Accélération du secteur de l'hydrogène

Cette section discute de la nécessité de dynamiser la croissance du secteur de l'hydrogène en exploitant l'infrastructure existante pour mélanger l'hydrogène avec du gaz naturel. La capacité à déployer économiquement l'hydrogène à travers les secteurs est essentielle pour atteindre des objectifs énergétiques plus larges.

#Conclusion

Le développement de l'hydrogène en tant que source d'énergie viable est crucial pour atteindre un système énergétique durable et décarboné. Le modèle proposé fournit un cadre pour évaluer comment l'hydrogène peut être intégré dans les Infrastructures de gaz naturel existantes, permettant une transition plus douce vers des sources d'énergie plus propres.

Le mélange d'hydrogène avec du gaz naturel représente une étape importante pour initier la croissance du secteur de l'hydrogène. De plus, une planification soigneuse et la prise en compte de divers facteurs, y compris les défis économiques et opérationnels, seront cruciales pour faire de l'hydrogène une partie fiable de notre paysage énergétique futur.