Les technologies de l’hydrogène : Au cœur de la course vers zéro émission nette

La course au “zéro émission” est lancée et, pour franchir la ligne d’arrivée d’ici à 2050, l’industrie doit rapidement développer et implémenter des alternatives aux combustibles fossiles, devenus un fardeau environnemental. Mais quelles sources d’énergie ont le pouvoir de les remplacer ?

Bien que l’électricité soit le leader incontesté en matière d’alternatives énergétiques plus durables, l’électrification reste insuffisante dans les régions du monde isolées ou dépourvues d’infrastructures électriques solides. Et c’est sans parler des secteurs où les émissions de gaz à effet de serre sont dites “difficiles à abattre” comme la sidérurgie ou les mobilités intensives.

C’est là que l’hydrogène intervient. Ce gaz est déjà utilisé comme réactif chimique dans des industries telles que le raffinage du pétrole et l’agrochimie, à raison de 90 millions de tonnes par an. Un boom s’annonce, puisque la demande devrait être multipliée par 4, voire 6, d’ici 2050. La production par électrolyse de l’eau représenterait alors plus d’un quart de la demande mondiale d’électricité !

Décarboner l’hydrogène

Mais l’hydrogène est-il vraiment vertueux ? L’impact environnemental de ses procédés de production varie énormément. Cela a donné lieu à un système informel et déconcertant de classification par code couleur. Aujourd’hui, la grande majorité de l’hydrogène est issu du reformage du méthane à la vapeur, avec 10 kg de CO2 émis pour chaque kilogramme de H2. Ce type de production est responsable de 2 à 3 % des émissions mondiales de CO2, au même titre que le transport aérien !

Il est également possible de produire de l’hydrogène par électrolyse. Ce procédé, qui sépare les molécules d’eau en oxygène et en hydrogène, est gourmand en énergie : 50 à 60 kWh permettent de produire 1 kg d’hydrogène. Mais lorsque les électrolyseurs sont reliés à des sources d’énergie renouvelables, il est possible d’obtenir de l’hydrogène bas carbone.

Cependant, sa faible densité à température ambiante signifie qu’il doit être comprimé à des pressions élevées – jusqu’à 700 bars – ou liquéfié en le refroidissant à très basse température – -253°C (20K) – pour pouvoir le transporter et le stocker dans des volumes acceptables.

Par ailleurs, l’emprunte carbone de l’hydrogène produit par électrolyse de l’eau dépend du mix énergétique de la source d’électricité. Dans certains pays où les centrales électriques au charbon sont nombreuses, la production d’hydrogène par électrolyse pourrait s’avérer plus émettrice en CO2 que le vaporéformage.

Des défis et de la pression

De nouvelles applications de l’hydrogène émergent dans les domaines de l’énergie et de la mobilité bas-carbone. Mais pour qu’elles voient réellement le jour, de grands changements doivent être opérés sur l’ensemble du cycle de vie.

Cela commence par la production. Pour que l’hydrogène contribue véritablement à un monde sans émissions nettes, l’énergie utilisée pour l’électrolyse doit provenir de sources renouvelables telles que des parcs éoliens et solaires terrestres ou offshore, que Nexans relie déjà. Cela aura un impact direct sur le prix de l’hydrogène, qui dépendra alors des coûts de l’électricité et des investissements dans les fermes de renouvelables et les électrolyseurs.

Une fois produit, l’hydrogène doit encore atteindre l’utilisateur final, et le choix des bonnes solutions de stockage et de transport pourraient faire la différence entre le succès et l’échec. Un seul kilogramme d’hydrogène occupe 12m³ à la pression atmosphérique, et de très hautes pressions (jusqu’à 700 bars) sont nécessaires pour ramener ce volume à des niveaux acceptables.

La solution ? Liquéfier l’hydrogène. L’hydrogène liquéfié est historiquement employé dans les industries de technologie de pointe telle que l’aérospatiale depuis des décennies, et de nouvelles applications de l’hydrogène liquéfié (LH2) apparaissent, comme par exemple :

• Transport maritime d’énergie entre les lieux de production et de consommation. Le projet Hystra – qui consiste à produire de l’hydrogène en Australie et à l’expédier par cargo au Japon – a été une première mondiale, rendue possible grâce aux lignes de transfert cryogéniques haute flexibilité de Nexans. Plusieurs projets visant à déployer les infrastructures de transport maritime du LH2 démarrent actuellement dans les principaux ports maritimes afin de préparer le futur commerce mondial du LH2.
• Aéronautique. Airbus a pour objectif de faire voler le premier avion commercial alimenté en LH2 en 2035. Cela impliquera une refonte radicale des infrastructures aéroportuaires pour fournir de l’hydrogène, de l’électricité et des carburants d’aviation durables, dans des lieux où la sécurité et l’espace au sol constituent des enjeux majeurs.

L’innovation à chaque étape

Nexans propose des technologies et solutions commerciales innovantes tout au long de la chaîne de valeur de l’hydrogène.

• Du côté de la production, nous fournissons des solutions pour optimiser les dépenses d’exploitation et d’investissement liées à la production d’énergie renouvelable. Appliqué aux unités d’électrolyse, notre savoir-faire unique en matière de conception de réseaux électriques pourrait contribuer à l’optimisation des installations de production d’hydrogène.
• Du côté du stockage et de la distribution, Nexans est depuis longtemps un pionnier des infrastructures d’approvisionnement en fluides cryogéniques. Nos lignes de transfert flexibles et isolées sous vide offrent des solutions faciles à installer, sûres et fiables pour le transfert de réservoir à réservoir du LH2. Notre installation “plug-and-play” est aussi simple que la pose d’un câble électrique et surpasse les systèmes rigides conventionnels en termes de rapidité de mise en œuvre. Nous avons récemment équipé les premiers systèmes de chargement au monde pour le transfert de LH2 de navire à terre à Kobe, au Japon, avec des lignes de transfert cryogéniques de grande longueur et de haute flexibilité, capables d’assurer des débits élevés, de nombreux cycles de flexion et une évaporation minimale.

Le futur est hybride

Combinés intelligemment, l’électrification et l’hydrogène se complètent pour contribuer à un approvisionnement énergétique plus efficace et bas-carbone. En poussant plus loin la complémentarité entre les deux vecteurs énergétiques, nous développons actuellement de nouveaux concepts de lignes hybrides capables de véhiculer à la fois l’hydrogène et l’électricité dans le même système, notamment :

• Systèmes ombilicaux sous-marins permettant de transférer l’hydrogène, les données et l’électricité entre les unités de production en mer, telles que les parcs éoliens ou les îles énergétiques, et la terre ferme ;
• Systèmes supraconducteurs combinant le transfert de LH2 et la supraconductivité pour des autoroutes énergétiques hybrides capables de transmettre des quantités impressionnantes d’énergie sur de longues distances et de contribuer à la modernisation des réseaux électriques.

En fin de compte, la transition vers le “zéro émission” nécessitera une combinaison judicieuse de nombreuses sources d’énergie et technologies interdépendantes. Avec l’électrification, Nexans permet à l’hydrogène de devenir un élément sûr, efficace, économiquement et écologiquement viable de l’approvisionnement énergétique de demain.

La technologie flottante est une tendance dans le monde des énergies renouvelables. Nous en examinons les moteurs et découvrons comment Nexans contribue à faire du rêve de l’éolien offshore flottant – et du solaire – une réalité.

La production d’énergie éolienne en mer a connu une croissance considérable au cours de la dernière décennie. La capacité offshore mondiale atteint désormais 35 GW, soit près de neuf fois plus qu’en 2011. Une capacité offshore supplémentaire de 235 GW est attendue d’ici 2030, portant le total mondial à 270 GW.

La technologie des turbines a fait d’énormes progrès depuis l’apparition des premiers parcs éoliens dans nos océans, il y a plus de vingt ans. Les turbines d’aujourd’hui sont plus grandes et plus efficaces que jamais, avec des diamètres de rotor de plus de 200 mètres et des puissances de 10 MW et plus. Ces progrès ont joué un rôle essentiel dans la baisse du coût de l’éolien offshore.

Presque toutes les éoliennes offshore existantes aujourd’hui dépendent de fondations fixées sur le fond, qui constituent une bonne solution dans les eaux relativement peu profondes – jusqu’à 60 mètres de profondeur. Ces fondations sont des semelles en acier et en béton qui fixent la structure de l’éolienne directement au fond de la mer.

La grande majorité des océans et des mers ont des eaux dont la profondeur dépasse 60 mètres – et c’est là que l’on trouve les vents les plus forts et les plus constants. En Europe, par exemple, 80 % des ressources éoliennes se trouvent dans des eaux d’une profondeur de 60 mètres ou plus. Les fondations conventionnelles ne sont pas rentables dans ces situations. Il existe donc de vastes zones où les ressources éoliennes sont inexploitées.

De nouveaux horizons pour l’éolien offshore

Les éoliennes flottantes permettent de surmonter le problème des fondations en eaux profondes. Au lieu d’être ancrées au fond de la mer, les turbines sont montées sur une sous-structure flottante qui est attachée par des lignes d’amarrage et des ancres.

Tout cela change la donne pour l’éolien offshore. Au lieu d’être limitées à une profondeur de 60 mètres, les turbines flottantes peuvent être déployées dans des eaux allant jusqu’à 1000 mètres de profondeur – et potentiellement beaucoup plus.

Cela offre un potentiel intéressant pour étendre la portée géographique de l’éolien offshore. La partie nord du bassin de la mer du Nord en est un exemple. La profondeur des eaux y dépasse généralement de loin les 60 mètres, ce qui les met hors de portée des fondations conventionnelles.

Hywind Scotland au Royaume-Uni – le premier parc éolien flottant au monde – illustre ce qui peut être réalisé. Situé à environ 30 km au large des côtes dans des eaux pouvant atteindre 120 mètres de profondeur, Hywind est en service avec succès depuis 2017. Hywind présente le facteur de capacité le plus élevé de tous les parcs éoliens du Royaume-Uni : en 2020, il a établi un nouveau record britannique en atteignant un facteur de capacité moyen de 57,1 %. À titre de comparaison, la moyenne de l’éolien offshore au Royaume-Uni est d’environ 40 %.

La technologie de l’éolien flottant devrait avoir un impact bien au-delà de la mer du Nord, notamment dans les régions où la mer est très profonde et très proche du rivage. Citons par exemple le bassin méditerranéen, la côte ouest des États-Unis, la Corée du Sud et le Japon, qui disposent tous d’énormes ressources éoliennes en mer qui ne demandent qu’à être exploitées. L’éolien flottant peut également être déployé dans des eaux peu profondes où les conditions du fond marin empêchent l’utilisation de fondations conventionnelles.

Actuellement, l’éolien flottant ne représente que 0,1 % du total de l’éolien en mer. Mais cette situation est appelée à changer. Les prévisions du Conseil mondial de l’énergie éolienne suggèrent que d’ici 2030, l’éolien flottant pourrait représenter 6,1 % de toutes les nouvelles installations, avec une capacité ajoutée estimée à 16,5 GW au cours des dix prochaines années. Des technologies robustes et rentables sont la clé pour atteindre cet objectif.

L’un des grands défis techniques de l’éolien offshore flottant est l’exportation de l’électricité qu’il produit. Trois facteurs entrent en jeu. Premièrement, les câbles reliant les parcs éoliens à la côte sont plus longs, car les turbines sont généralement situées plus loin en mer. Deuxièmement, les niveaux de puissance à gérer augmentent avec la taille des turbines. Troisièmement, et c’est le plus important, des câbles dynamiques sont nécessaires. Ils doivent être capables de s’adapter aux mouvements de la structure flottante causés par les courants, les marées et le vent. La résilience est essentielle.

Des câbles dynamiques plus intelligents

L’expérience de Nexans en matière de systèmes de câbles sous-marins haute tension et de câbles dynamiques en fait le partenaire idéal pour le développement de l’éolien flottant. En effet, Nexans a fourni des câbles dynamiques pour les projets d’éoliennes flottantes Hywind Demo et Hywind Scotland. L’expérience de l’entreprise a des racines profondes : Nexans a développé son premier câble dynamique en 1983.

Aujourd’hui, l’innovation se poursuit. L’accent est désormais mis sur le développement de câbles dynamiques HT capables de supporter une puissance et des tensions plus élevées que jamais. Cette nouvelle génération de câbles sera plus légère et plus souple que les câbles sous-marins traditionnels. Ils seront également plus intelligents, grâce à l’intégration d’éléments en fibre optique permettant une surveillance en temps réel – fournissant des informations essentielles sur les différents paramètres des câbles et garantissant des années de fonctionnement fiable.

L’énergie solaire flottante à l’échelle industrielle est l’une des technologies renouvelables qui connaît la plus forte croissance. Des panneaux photovoltaïques sont montés sur des radeaux ancrés en pleine mer et des câbles sous-marins acheminent l’énergie vers la terre.

L’aspect le plus difficile du projet du point de vue du câblage est la gestion de la charge dynamique, causée par le mouvement de la plateforme en réponse au vent, aux vagues et aux marées. Nexans utilise un câble tripolaire d’un type éprouvé dans les parcs éoliens offshore et les installations de pisciculture. Le câble de 5 km est fabriqué dans notre usine de Rognan en Norvège.

L’intérêt de l’énergie solaire flottante est qu’elle élargit considérablement la surface disponible pour l’installation de panneaux solaires, sans qu’il soit nécessaire d’acquérir des terrains. La croissance du secteur de l’énergie solaire flottante est forte. Près de 10 GW de nouvelles capacités flottantes devraient être déployées d’ici 2025.