Hydrogen systems : what contribution to the energy system? Findings from multiple modelling approaches

par Olfa Tlili

Thèse de doctorat en Ingéniérie des systèmes complexes

Sous la direction de Christine Mansilla-Pellen et de Yannick Perez.

  • Titre traduit

    Systèmes à hydrogène : quelle contribution au système énergétique? Résultats de plusieurs approches de modélisation


  • Résumé

    L'hydrogène… Cet élément simple et très abondant pourrait être un contributeur clé à la transition énergétique, mais dans quelles conditions technico-économiques et politiques ? Cette thèse propose une contribution à l'évaluation de la faisabilité de pénétration de l'hydrogène dans le système énergétique, en mettant en oeuvre différents modèles qui permettent des éclairages complémentaires. Elle se concentre sur l’hydrogène bas carbone, obtenu par électrolyse de l’eau.Notre analyse multirégionale qui porte sur le contexte énergétique européen, américain, chinois et japonais (régions qui présentent des défis énergétiques contrastés) montre que les politiques énergétiques actuelles ne facilitent qu’une faible pénétration de l'hydrogène dans le système énergétique, lui permettant de réaliser environ 3% de l’effort à fournir par les quatre régions afin de limiter l’augmentation de la température à 2°C par rapport aux niveaux préindustriels. Nous soulignons dans cette thèse que l’injection d’hydrogène dans les réseaux de gaz naturel qui permet dans une certaine mesure d’éviter des fuites de méthane à fort pouvoir de réchauffement, pourrait jouer un rôle significatif dans la réalisation des objectifs de réduction des émissions de gaz à effet de serre.L'analyse des marchés de l'hydrogène a été menée en deux étapes. Tout d'abord, chaque marché (industriel ou énergétique) a été abordé individuellement afin d’établir des coûts d'entrée sur ce marché (pour les différents contextes énergétiques considérés). Ensuite, les différentes applications de l’hydrogène ont été resituées en interaction avec l’ensemble du système énergétique à travers le modèle TIMES-PT et un cas d’étude portant sur le Portugal, permettant ainsi d’examiner le potentiel de couplage entre les secteurs énergétiques rendu possible par l’hydrogène. Ces travaux ont permis de qualifier l'attractivité des différents marchés, celui de la mobilité apparaissant comme le plus favorable.Nous nous sommes ensuite intéressés aux coûts requis sur l'ensemble de la chaîne d'approvisionnement en hydrogène afin de pénétrer le marché de la mobilité.Pour ce faire, nous avons utilisé des modèles avec une maille géographique et temporelle fine (GLAES, EuroPower et InfraGis), en commençant par l’étape de production. Nous avons étudié le rôle potentiel de l'hydrogène pour la fourniture de flexibilité au système électrique dans un contexte de forte pénétration des énergies renouvelables intermittentes en France. Nos résultats montrent que l’hydrogène pourrait permettre non seulement d’éviter d’écrêter la production d’énergies renouvelables (entre 1,4 et 7,9 TWh en fonction du scénario de capacité d’interconnexion), mais pourrait aussi mettre à profit l’énergie nucléaire disponible (bas carbone donc), évitant par-là d’imposer de fortes rampes de puissances aux centrales. Cependant, une attention particulière doit être accordée au taux d'utilisation de l'électrolyseur afin de maintenir les coûts de production d'hydrogène suffisamment bas.Enfin, nous nous sommes concentrés sur l’approvisionnement de l’hydrogène, depuis les sites de production jusqu’à l’utilisation pour la mobilité, la question de l’infrastructure étant un problème majeur entravant les investissements dans l’hydrogène. Cinq filières d’approvisionnement (transport et distribution) ont été développées à la maille régionale et comparées sur le plan économique pour le cas français. Nos résultats montrent que, lors des toutes premières phases de pénétration du marché (scénario 1%), il est plus intéressant de privilégier la production décentralisée.


  • Résumé

    Hydrogen… This simple, very abundant element holds great promise to contribute to the transition towards a cleaner future energy system, but under which techno-economic and political conditions? This thesis is a contribution to the assessment of the hydrogen penetration feasibility into the energy system, using a multi-model approach. The focus is put on low-carbon hydrogen, obtained by electrolysis.Our multi-regional analysis on the European, American, Chinese and Japanese energy context (presenting contrasted energy challenges) show that, with the current energy policies implemented which result in a modest penetration of hydrogen into the energy system, hydrogen may achieve approximately 3% of the effort that needs to be done by the four regions, in order to limit the increase of the temperature to 2°C, compared to preindustrial levels. We highlight in this thesis that blending hydrogen with natural gas, and thereby avoiding methane leakages to a certain extent, may represent a significant contribution in achieving the carbon mitigation goals.The hydrogen market analysis has been carried out following two steps. First, each market (industrial and energy-related) was tackled aside in order to propose market entry costs considering the four energy contexts and investigate the timeframe of the market penetration potential. Then, the different hydrogen applications were examined within the overall energy system through the TIMES-PT model (for a Portugal case study), allowing to investigate the hydrogen potential for energy sector coupling. Based on this work, the markets attractiveness was evaluated: mobility (using fuel cell vehicles) appears to be the most favourable.Then, we tackled the required costs over the whole hydrogen supply chain in order to enter the mobility market.To do so, we used temporally and spatially resolved models (GLAES, EuroPower and InfraGis) starting with the production side where we studied the hydrogen potential role in providing the electricity system with flexibility and the impact of such electrolysis operation on the hydrogen generation costs in the context of high shares of renewable energies in France. Our results show that hydrogen can contribute to improve the flexibility of the electric system by allowing avoiding renewable curtailment (between 1.4 and 7.9 TWh depending on the interconnection capacity scenario) but also by taking advantage of nuclear plant available energy (thereby avoiding nuclear ramping), the latter ensuring a low carbon and low cost electricity provision. However, a special attention needs to be dedicated to the utilisation rate of the electrolyser, to keep the hydrogen production costs low enough.Last but not least, we focused on how to link the hydrogen production sites and its final use for mobility applications, the delivery infrastructure being a major issue hampering the hydrogen investments. Five transport and delivery pathways were geographically designed and economically assessed, for the French case. According to our findings, during the very first market penetration phases (1% scenario), it is more interesting to start with decentralised production that proved to be less expensive for the whole pathway at this stage.


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