L’hydrogène est présenté comme un élément clé de la transition vers une économie zéro émission pour une très bonne raison. C’est l’élément le plus abondant de l’univers, et c’est un vecteur d’énergie polyvalent, extrêmement dense en énergie, léger et stockable sur de longues périodes. Il ne produit pas d’émissions de carbone et ne génère que de la chaleur et de l’eau lorsqu’il est brûlé. Cependant, la grande majorité de l’hydrogène utilisé aujourd’hui est en réalité très polluant en raison de la manière dont il est extrait. Environ 96 % de l’hydrogène produit dans le monde est « gris », ce qui signifie qu’il est fabriqué à partir de combustibles fossiles tels que le charbon et le gaz naturel, un procédé qui libère de grandes quantités d’émissions de carbone dans l’atmosphère. Seul l’hydrogène vert, produit à partir d’électricité renouvelable, constitue une solution énergétique véritablement propre.
L’hydrogène vert est produit via un processus appelé électrolyse, dans lequel un électrolyseur alimenté en l’électricité sépare l’eau en hydrogène et en oxygène. Pour que l’hydrogène soit considéré comme vert, l’électricité utilisée doit provenir de sources d’énergie renouvelables telles que l’énergie solaire ou éolienne.
L’hydrogène est déjà utilisé dans les industries chimiques et de raffinage. En outre, grâce aux avancées spectaculaires de la technologie des électrolyseurs, il pourrait également devenir une solution alternative viable aux combustibles fossiles dans les industries dites lourdes, plus difficiles à électrifier : production d’acier et de béton, transport longue distance, aviation, etc.
Surmonter les obstacles à la production d’hydrogène vert
La sidérurgie, qui est également l’une des industries lourdes qui produisent le plus de CO2, figure parmi les meilleurs candidats à l’exploitation de l’hydrogène vert. Grâce à un processus de fabrication révolutionnaire utilisant l’hydrogène vert, il est possible de créer de l’acier vert, ce qui pourrait réduire les émissions de carbone de 95 %. Toutefois, il reste encore beaucoup de chemin à parcourir pour que l’acier vert puisse être produit à l’échelle industrielle. D’une part, les producteurs d’acier doivent avoir accès à d’abondantes réserves d’hydrogène à zéro émission nettes.
McKinsey prévoit que la demande d’hydrogène vert pourrait atteindre plus de 600 millions de tonnes métriques par an d’ici à 2050. Aujourd’hui, la production totale prévue d’ici à 2030 pour l’hydrogène vert et bleu (produit à partir de gaz naturel) est d’environ 26 millions de tonnes métriques par an.
Pour réussir à vraiment développer la production d’hydrogène vert, celui-ci doit pouvoir concurrencer les combustibles fossiles en termes de prix. Les coûts doivent donc baisser. Actuellement, l’hydrogène vert coûte jusqu’à quatre fois plus cher que l’hydrogène gris, soit entre 3 et 8 euros au lieu de 1 à 2 euros par kilogramme.
Les principaux défis de la production d’hydrogène vert sont :
- Le coût de production
- L’échelle de production
- L’efficacité des électrolyseurs
- La sécurité
- Le coût de la maintenance des équipements
Pour accélérer la production d’hydrogène vert et réaliser les économies d’échelle nécessaires, les producteurs d’hydrogène doivent augmenter rapidement leur capacité d’électrolyse. Selon l’Agence internationale de l’énergie (AIE), la capacité mondiale d’électrolyse était de 0,3 gigawatt (GW) en 2020. D’ici 2026, la capacité mondiale d’électrolyse devrait atteindre près de 17 GW. Les capacités devraient continuer à augmenter à mesure que les coûts diminuent et que les technologies évoluent.
Le rôle des jumeaux virtuels dans la construction des électrolyseurs
À première vue, le processus de création d’hydrogène, qui consiste à utiliser l’électricité pour diviser l’eau en hydrogène et en oxygène, semble relativement simple. Cependant, les électrolyseurs eux-mêmes sont des équipements très complexes qui ne peuvent pas être achetés simplement dans le commerce. En fonction des cas d’utilisation visés et du type utilisé, leur conception, leur installation et leur fonctionnement varient considérablement. Ils constituent donc l’un des éléments les plus coûteux de la production d’hydrogène vert.
Les fabricants d’équipements d’électrolyse doivent tenir compte de tous les aspects : coûts des matériaux, taille des modules, variabilité des installations et adéquation à des applications industrielles spécifiques, mais aussi durabilité et taux de dégradation des piles à combustible. Les électrolyseurs ont une durée de vie prévue comprise entre 5 000 et 80 000 heures. Il est donc essentiel de pouvoir surveiller ces actifs tout au long de leur cycle de vie.
Pour gérer la complexité de la conception, de la fabrication et de l’exploitation des installations d’hydrogène vert, les entreprises doivent pouvoir modéliser, tester et optimiser les électrolyseurs entièrement dans le monde virtuel. La plate-forme 3DEXPERIENCE de Dassault Systèmes offre aux fabricants les fonctionnalités de bout en bout dont ils ont besoin pour y parvenir.
Grâce aux fonctionnalités de jumeau virtuel de la plate-forme 3DEXPERIENCE qui permettent de construire une réplique numérique complète de l’actif, les fabricants peuvent effectuer le suivi de tous les équipements, à chaque étape de leur cycle de vie, de la mise en service à la maintenance. Cela leur permet d’optimiser les stacks de cellules, de prendre en compte la maintenance des équipements dès le début du processus de développement du produit et d’effectuer des essais virtuels, grâce à une simulation multiéchelle et multiphysique complète, de l’intégrité structurelle à l’analyse des défaillances, en passant par l’optimisation de la pression, afin de garantir le respect de toutes les normes industrielles. La possibilité de suivre tous les systèmes et les actifs physiques et de saisir toutes les informations qui s’y rapportent permet de prévenir les problèmes lors de l’installation et de l’exploitation, de réduire les coûts, de minimiser les temps d’arrêt, d’améliorer la sécurité des travailleurs et bien plus.
Augmenter la production d’hydrogène vert
Les objectifs en matière d’hydrogène vert fixés par diverses organisations telles que l’Union européenne et les Nations unies incitent à augmenter les capacités en matière d’énergies renouvelables à l’échelle mondiale et contribuent à réduire les coûts associés à la production d’hydrogène vert. L’initiative Green Hydrogen Catapult des Nations unies, par exemple, a presque doublé son objectif pour les électrolyseurs verts, passant de 25 gigawatts en 2020 à 45 gigawatts d’ici à 2027.
Outre la coopération et les financements nécessaires pour y parvenir, l’industrie a également besoin de fonctionnalités numériques pour améliorer l’efficacité du développement des produits. En gérant tous leurs processus sur la plate-forme 3DEXPERIENCE dans le cloud, certaines entreprises comme McPhy Energy parviennent à construire des électrolyseurs et des stations de ravitaillement en hydrogène à faible teneur en carbone beaucoup plus rentables. Cela leur permet de :
- Standardiser les processus et les applications de conception et de simulation
- Centraliser la gestion des données et des projets
- Faciliter la collaboration en interne et avec les fournisseurs dans le monde entier
- Améliorer les performances, la qualité et la sécurité des électrolyseurs
En gérant le cycle de vie de ses produits au sein de la plate-forme 3DEXPERIENCE et en modélisant virtuellement ses processus de fabrication, McPhy espère accélérer la mise sur le marché et optimiser les performances de ses équipements.
À mesure que le monde abandonne les combustibles fossiles, l’innovation dans les technologies d’électrolyse est de plus en plus cruciale pour aider à accroître la disponibilité commerciale des nouveaux électrolyseurs et encourager l’adoption généralisée de l’hydrogène vert.
Comme l’a affirmé lors d’un entretien au Forum économique mondial le Dr Emanuele Taibi, responsable des stratégies de transformation du secteur de l’électricité à l’Agence internationale pour les énergies renouvelables, « Le pipeline de projets d’hydrogène vert est en bonne voie pour réduire de moitié le coût des électrolyseurs d’ici 2030 ». « Ceci, combiné à de grands projets localisés à l’endroit même où se situent les meilleures ressources renouvelables, permettra de produire un hydrogène vert compétitif, disponible à grande échelle dans les 5 à 10 prochaines années. »
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Hydrogen Business Strategy, Industrial Equipment, Dassault Systèmes. Clara is responsible for the clean hydrogen segment within the industrial equipment industry at Dassault Systèmes. She works closely with customers, sales and engineers to drive success in clean hydrogen projects.