Perspectives de développement de l'énergie solaire-hydrogène

Le processus traditionnel de combustion de combustible organique, qui est à la base de l’obtention d’énergie thermique et électrique, est l’une des principales causes de pollution de l’air par des substances nocives pour l’homme et l’environnement. De plus, cela provoque une augmentation de la teneur en gaz à effet de serre dans l’atmosphère, ce qui entraîne une augmentation de la température globale de la planète. Il y a donc un changement inévitable du climat, des habitats de diverses espèces animales, des limites des forêts, des zones de pergélisol, etc. [1]. En 2018, le changement climatique a provoqué plus de 300 catastrophes naturelles (dont 93 % étaient des tempêtes, des incendies de forêt, des pénuries alimentaires et des sécheresses), touchant plus de 68 millions de personnes. et a causé d’énormes dommages économiques s’élevant à environ 131,7 milliards de dollars [2]. Un autre problème tout aussi important est celui des réserves limitées de carburants traditionnels et de la croissance constante de leur consommation. L’épuisement des ressources fossiles entraînera progressivement une augmentation de leur coût, ce qui entraînera à terme de nouveaux problèmes pour le développement de l’industrie et de la société. Ces défis ont suscité un grand intérêt pour les sources d’énergie renouvelables (SER), qui peuvent devenir une solution aux problèmes qui se posent. Parallèlement, pour atteindre la neutralité carbone, la part mondiale des sources d’énergie renouvelables, selon les prévisions des chercheurs, devrait augmenter de 14 à 74 % entre 2018 et 2050.

Si l’on considère les énergies renouvelables dans leur ensemble, on peut identifier 5 groupes principaux : l’énergie solaire, l’énergie hydraulique, l’énergie éolienne, l’énergie géothermique et l’utilisation de biocarburants. Dans le même temps, les installations utilisées sur la base de cette énergie primaire ont leurs propres caractéristiques opérationnelles, qui sont déterminées, entre autres, par leur emplacement [3]. D’un point de vue pratique, l’utilisation de l’énergie solaire à elle seule peut satisfaire pleinement les besoins de l’humanité en énergie électrique et thermique, ce qui fait de ce domaine des énergies renouvelables le plus prometteur pour la recherche [4].

Dans le contexte de l’humanité, le Soleil représente une source d’énergie gratuite et inépuisable. Actuellement, cette branche des énergies renouvelables se développe rapidement (Fig. 1) [2].

En prenant en compte uniquement la production d'énergie solaire basée sur l'utilisation de convertisseurs photovoltaïques, nous remarquons deux tendances principales dans le développement de cette technologie : la réduction du coût des cellules solaires (pour obtenir une plus grande compétitivité) et l'augmentation de l'efficacité de fonctionnement (pour réduire les dimensions globales des installations et le coût du système d'énergie solaire) [5]. Actuellement, le type de panneaux solaires le plus courant est celui en silicium : ils sont les plus largement représentés sur le marché moderne. Cependant, le développement de l’énergie solaire a conduit à l’émergence d’un grand nombre d’autres types de cellules solaires, qui sont généralement classées en trois générations en fonction des matériaux utilisés dans leur fabrication. Pour une description plus détaillée de la classification existante, il convient de se référer à [6–9]. La première génération comprend des cellules solaires en silicium monocristallin, qui se distinguent facilement par leur coloration uniforme et leur forme (cellules rectangulaires aux coins biseautés). Un autre type est celui des panneaux polycristallins, qui sont constitués de nombreux cristaux individuels et ont une apparence rectangulaire avec des bords non arrondis. Cette génération comprend également des panneaux à base d’arséniure de gallium ; ils sont plus efficaces, mais en raison de la présence de substances coûteuses, rares et toxiques, ils ne sont pas largement utilisés. Cependant, la production de cellules solaires en silicium est une technologie relativement coûteuse, c'est pourquoi des recherches ont été menées pour trouver des méthodes moins coûteuses de production de convertisseurs d'énergie solaire.

La solution à ce problème a été les convertisseurs de deuxième génération, qui comprennent différents types de cellules solaires à couche mince. À leur tour, ils sont classés en fonction du matériau photovoltaïque dont le substrat est recouvert : cellules solaires en tellurure de cadmium (CdTe), en silicium amorphe (a-Si), en diséléniure de cuivre-indium (CIS), en cuivre-indium-gallium-sélénium (CIGS). Ces panneaux solaires sont moins chers à produire, ont une structure flexible et sont moins affectés par l’ombrage et les températures élevées. Cependant, leur principal inconvénient est leur efficacité relativement faible, ce qui a conduit à divers développements de la troisième génération de cellules solaires.

La troisième génération comprend des panneaux solaires tandem, ainsi que des types de convertisseurs plus récents tels que des cellules solaires à colorant ; cellules solaires à points quantiques; panneaux solaires en pérovskite; panneaux solaires organiques; Cellules solaires en sulfure de cuivre, de zinc et d'étain (CZTS). Les perspectives de développement de cette génération sont liées au développement d’une technologie à long terme qui sera économiquement viable pour la production à grande échelle d’électricité à partir de matériaux respectueux de l’environnement avec un accès illimité. Leurs nombreux avantages peuvent être justifiés par des investissements et des recherches internationaux visant à accroître l’efficacité, à réduire les coûts et à accroître la production à grande échelle. Des recherches actualisées du Laboratoire national des énergies renouvelables des États-Unis nous permettent de retracer le développement de toutes les générations de cellules solaires décrites ci-dessus de 1975 à 2024. (Fig. 2) [8].

D'après la Fig. 2, il ressort que l'efficacité des convertisseurs photovoltaïques augmente chaque année, tandis que la surface des modules eux-mêmes diminue. Les cellules solaires multi-jonctions présentent actuellement le rendement le plus élevé (plus de 48 %). On peut également noter le développement rapide de nouveaux types de convertisseurs photovoltaïques de troisième génération (PV émergents). L’intégration de sources d’énergie renouvelables basées sur de tels dispositifs dans le réseau électrique existant est associée à un certain nombre de problèmes qui doivent être résolus pour garantir la stabilité, la fiabilité et l’efficacité de son fonctionnement. Le principal problème est que l’approvisionnement en énergie solaire n’est pas constant et que, par conséquent, la puissance de la centrale solaire peut fluctuer considérablement en fonction des conditions météorologiques et d’autres facteurs. De plus, plus les sources d’énergie renouvelables sont intégrées au réseau, plus il est difficile d’assurer la stabilité du système énergétique.

Une solution possible au problème identifié pourrait être l’utilisation de systèmes de stockage d’énergie et la mise en œuvre d’algorithmes de réservation de capacité basés sur ceux-ci. Dans ce domaine, il convient de souligner en particulier l’énergie de l’hydrogène, qui présente un grand potentiel pour résoudre le problème.

L’hydrogène est actuellement considéré comme une solution pour la décarbonisation de diverses industries en raison de ses avantages en tant que carburant respectueux de l’environnement. Lorsqu’il est brûlé, il ne produit aucune émission de dioxyde de carbone, ce qui en fait un outil important pour le développement d’une économie à faible émission de carbone. De plus, il présente une chaleur massique de combustion élevée, presque trois fois supérieure à celle de l’essence, et il est facilement inflammable [10]. L’hydrogène, produit à partir de sources d’énergie renouvelables basées sur l’électrolyse de l’eau, est généralement classé comme hydrogène « vert ». Cette technologie permet d’unir différents secteurs de l’économie avec des sources d’énergie renouvelables, et le développement général des énergies alternatives et de leurs technologies de production réduit progressivement le coût de cet hydrogène « vert » (Fig. 3) [11].

Malgré le coût élevé de la production d’hydrogène comme carburant [12], le concept d’énergie combinée solaire-hydrogène gagne de plus en plus en popularité. Ce système propose de convertir une partie de l’énergie solaire entrante en production d’hydrogène, avec la possibilité d’utiliser à la fois l’énergie solaire et l’hydrogène stocké comme carburant. L’avantage de cette méthode est la possibilité d’accumulation intermédiaire d’énergie solaire pour couvrir la charge pendant les heures non ensoleillées en utilisant la technologie « Power-to-gas » (P2G) [13]. La technologie P2G utilise la conversion de l'énergie électrique en énergie liée chimiquement sous la forme d'une substance gazeuse (généralement de l'hydrogène ou du méthane), qui, contrairement à l'énergie électrique, est pratique pour le stockage et une utilisation ultérieure. Parallèlement, cette technologie permet de réduire les besoins en gaz naturel pour les différentes installations de consommation. Il convient de noter que le méthane peut également être obtenu à partir d'hydrogène accumulé selon la réaction de Sabatier (formule 1) [14].

4H2 + CO2 = CH4 + 2H2O

Dans le contexte du développement du concept désigné d’énergie solaire-hydrogène, il est possible de souligner certains projets réussis qui ont été mis en œuvre récemment. Il s'agit notamment de : FH2R (Fig. 4, a) – la plus grande usine de production d'hydrogène au Japon (elle dispose d'une usine de production d'hydrogène de 10 MW, utilisant des panneaux solaires pour la production) et l'usine Sinopec en Chine (Fig. 4, b), qui est capable de produire 600 millions de kWh par an (en utilisant des centrales solaires) [15].

En Russie, des recherches dans ce domaine sont également menées activement, mais avec un léger déplacement de l’accent vers l’utilisation de l’énergie primaire pour la production d’hydrogène. Selon les informations publiées le 17 avril 2024 sur le site Internet du Bureau central de répartition du complexe des carburants et de l'énergie, la Fédération de Russie a l'intention d'occuper 20 % du marché mondial de l'hydrogène d'ici 2030. Dans le même temps, il est rapporté que les principales conditions préalables au développement de l'énergie hydrogène seront la décarbonisation et la transition vers des sources sans carbone. Dans ce contexte, le ministère russe de l'Énergie évoque la nécessité de développer des technologies nationales dans le domaine de l'énergie hydrogène, ainsi que d'assurer la compétitivité de l'économie du pays dans le contexte de la transition énergétique mondiale. Il est à noter que la production d'hydrogène « vert » à partir d'énergies renouvelables est prévue dans la région de Kaliningrad sur la base de la conversion de l'énergie éolienne. Il convient de prêter attention à la déclaration de LUKOIL, qui prévoit de produire de l'hydrogène « vert » dans la région de Krasnodar à hauteur de 13 tonnes par an. Dans le même temps, il n’est pas indiqué quel type d’énergie sera utilisé à cette fin [16]. Étant donné que l’énergie solaire dans la structure du bilan énergétique des sources d’énergie renouvelables de notre pays n’est pas aussi développée que, par exemple, l’énergie hydraulique ou éolienne, il est difficile de nommer une production à grande échelle existante d’hydrogène « vert » basé sur l’énergie solaire, bien qu’il existe un potentiel technique important pour cela, similaire aux projets étrangers précédemment envisagés. Ce fait actualise le sujet de la question à l’étude concernant l’opportunité de réserver la capacité des stations photovoltaïques dans le cadre de la production d’hydrogène « vert ».

Un système combiné solaire-hydrogène typique connecté au réseau (figure 5) se compose d'un système solaire photovoltaïque, d'un électrolyseur d'eau, d'un réservoir de stockage d'hydrogène gazeux et d'une pile à combustible. Les sorties du système photovoltaïque et des piles à combustible sont connectées à des convertisseurs pour convertir le courant électrique sous la forme requise par la charge. L’excédent d’énergie photovoltaïque est acheminé vers un électrolyseur pour générer de l’hydrogène « vert », qui est ensuite stocké dans un réservoir pressurisé spécial pour une utilisation de secours. L'hydrogène gazeux stocké est ensuite converti en énergie électrique par la pile à combustible pour répondre aux besoins de charge pendant les heures où la production photovoltaïque n'est pas disponible. Afin de maintenir l'équilibre énergétique entre la production et la consommation, le réseau électrique public n'est autorisé à se connecter que pour couvrir les charges restantes non satisfaites par la production d'énergie renouvelable à partir d'installations photovoltaïques et de piles à combustible. Ainsi, la configuration combinée proposée peut garantir la sécurité de la consommation d’énergie et la fiabilité du fonctionnement du système électrique tout en augmentant le volume d’approvisionnement en énergie verte et en réduisant les besoins d’approvisionnement en électricité du réseau [17].

Un exemple de système solaire-hydrogène combiné autonome est illustré à la figure 6. Pendant la journée, les sources d'énergie disponibles pour la maison sont l'énergie solaire provenant d'un réseau de panneaux solaires photovoltaïques et l'énergie provenant d'une pile à combustible qui consomme de l'hydrogène à partir d'un réservoir d'hydrogène pendant son fonctionnement. L'hydrogène est produit à l'aide d'un électrolyseur lorsque l'énergie solaire est disponible. Après le coucher du soleil, dans ce cas, la pile à combustible reste la seule source d’énergie disponible dans un tel système hybride [18].

Un projet réussi mis en œuvre dans ce sens permet déjà d’assurer une alimentation énergétique 100 % autonome pour un immeuble résidentiel [19]. L'ensemble du toit du bâtiment est recouvert de panneaux photovoltaïques d'une puissance électrique installée de 20 kW et d'une production annuelle d'environ 20 kWh. L’énergie électrique stockée en été sous forme d’hydrogène est consommée en hiver par les piles à combustible. L'hydrogène est stocké dans des réservoirs spéciaux sous une pression de 32 bars. De ce fait, un tel système a permis d’assurer une autonomie complète du bâtiment résidentiel.

On observe actuellement un intérêt croissant pour les sources d’énergie renouvelables, qui s’explique par la volonté de décarboner la production des capacités énergétiques et de réduire la part de la consommation des ressources en hydrocarbures. L'analyse de nombreuses sources d'information a montré que parmi la variété des sources renouvelables, l'énergie solaire a un taux de développement élevé, et le coût de production de l'électricité à l'aide de convertisseurs photovoltaïques diminue chaque année et se rapproche progressivement de l'hydroélectricité. Ces succès sont en grande partie dus à l’optimisation technique des technologies photovoltaïques, qui ont permis d’augmenter considérablement l’efficacité des convertisseurs photovoltaïques jusqu’à près de 49 %.

Dans le contexte de la résolution du problème de la réservation de la capacité électrique des centrales photovoltaïques et de la réorientation vers l'énergie de l'hydrogène de plus en plus populaire, dont la stratégie de développement a été approuvée par de nombreux pays du monde moderne, l'utilisation de l'hydrogène comme méthode de stockage de l'énergie acquiert une grande importance pratique. L’analyse de projets pilotes de cette nature nous permet d’affirmer que l’idée de secours à l’hydrogène a non seulement une base théorique, mais aussi une application pratique. Le principal facteur limitant pour l’instant est le coût de mise en œuvre de telles solutions.