Hydrogène contre. Gaz naturel pour la production d’électricité

Le rôle de l’hydrogène dans l’élimination des émissions de CO2, en particulier celles du réseau électrique, suscite un intérêt croissant, avec des implications potentiellement importantes pour les investisseurs dans les domaines du gaz naturel, des services publics et des équipements industriels.

Les investisseurs institutionnels, par exemple le groupe d'investisseurs Climate Action 100+ représentant 47 000 milliards de dollars d'actifs, incluent de plus en plus les facteurs environnementaux dans leurs critères d'investissement.

Cette idée est souvent exprimée dans le cadre d'un objectif de « réseau zéro carbone d'ici 2050 » pour les services publics, par exemple discuté ici pour Duke Energy (DUK), où l'hydrogène est identifié comme carburant candidat pour produire jusqu'à 30 % de l'électricité de Duke. en 2050.

Un objectif plus ambitieux pour une « économie nette zéro carbone » envisage l’élimination des combustibles fossiles non seulement pour la production d’électricité, mais également pour le chauffage industriel, le chauffage des espaces et de l’eau commerciaux et résidentiels et les transports. Ce scénario ajouterait des charges supplémentaires sur le réseau électrique ; par exemple, les besoins de chauffage résidentiel en hiver sont désormais satisfaits par le gaz naturel.

Dans cet article, nous allons nous concentrer principalement sur la question du réseau carboneutre ; L’hydrogène peut-il et va-t-il remplacer le gaz naturel pour le réseau électrique américain ? Nous nous concentrerons également sur le scénario le plus probable, l’utilisation de l’énergie solaire à grande échelle pour produire de l’hydrogène par électrolyse.

Nous discutons de la faisabilité technique, de l’aspect pratique opérationnel et économique, ainsi que de certaines implications pour les investisseurs.

La thèse d’investissement que nous examinerons aujourd’hui est simple : l’hydrogène vert généré à partir d’énergies renouvelables peut fournir un stockage d’énergie à l’échelle du réseau similaire à celui fourni aujourd’hui par le gaz naturel – la capacité de stocker de très grandes quantités d’énergie pendant des jours, voire des mois. Cela permettra de surmonter la limitation de l’intermittence de l’énergie éolienne et solaire et permettra de remplacer le gaz naturel pour la production d’électricité, produisant ainsi un réseau électrique à zéro carbone net.

Il y aura probablement des investissements importants dans l’hydrogène pour des applications autres que la production d’électricité sur le réseau ; l’empreinte économique globale potentielle est importante.

L’Hydrogen Council estime à 2 500 milliards de dollars les ventes annuelles mondiales d’ici 2050, la moitié provenant de l’hydrogène et l’autre moitié des équipements. En octobre 2020, la Fuel Cell and Hydrogen Energy Association, qui se concentre sur les transports et les matières premières industrielles plutôt que sur la production d’électricité sur le réseau, a estimé à 750 milliards de dollars les revenus annuels américains provenant de l’économie de l’hydrogène d’ici 2050.

Comme on dit, grand si c'est vrai.

Pour discuter du potentiel de l’hydrogène dans la production d’électricité, nous devons garder quelques éléments à l’esprit.

L'hydrogène est décrit comme gris, bleu ou vert selon la façon dont il est fabriqué ; le gris provenant des combustibles fossiles avec émission de CO2, le bleu provenant des combustibles fossiles avec captage du CO2 et le vert provenant des énergies renouvelables sans émissions de CO2. Lorsque les gens parlent de la future économie de l’hydrogène, ou de l’économie sans carbone, l’hydrogène vert est généralement sous-entendu.

L'hydrogène (H2) est plus léger que l'air gazeux. Mille pieds cubes (MCF) d'hydrogène dans des conditions standard pèsent 2,41 kg ou 5,3 livres ; cela représente environ 15 % du poids du gaz naturel (c'est-à-dire le méthane, CH4).

Le contenu énergétique du gaz est mesuré en BTU par pied cube. L’hydrogène possède environ 30 % du contenu énergétique du méthane. Cela signifie qu’il faut environ 3,3 CF d’hydrogène pour fournir la même énergie que 1 CF de gaz naturel.

Pour produire de l’hydrogène par électrolyse, 39,4 kWh de puissance d’entrée sont nécessaires pour produire un kg d’hydrogène, si le processus d’électrolyse est efficace à 100 %.

Les coûts de l’hydrogène peuvent être indiqués en $/kg ou en $/MMBtu. Un prix de 1 $/kg équivaut à environ 8 $/MMBtu. Le prix du gaz naturel est normalement exprimé en $/MMBtu (par exemple au Henry Hub).

Lorsque l’hydrogène est brûlé pour produire de l’électricité, aucun CO2 n’est produit.

Il est possible de mélanger de l’hydrogène et du gaz naturel dans le flux de carburant, avec une réduction des émissions de CO2, mais en raison de la différence de contenu énergétique, pour atteindre une réduction de 50 % des émissions de CO2, il faut environ 75 % de H2 en volume.

L’hydrogène présente des problèmes de manipulation et de sécurité que le méthane n’a pas. L'hydrogène peut provoquer une fragilisation des métaux et une détérioration des joints en plastique et en caoutchouc.