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25
jui
2018

L’autonomie venue de l’hydrogène

Au large de Singapour, une île devient un laboratoire à taille réelle pour le déploiement d’un réseau énergétique autonome, un micro-grid. L’hydrogène en est une pièce maîtresse.

Ile de Semakau, au large de Singapour

Nous ne sommes pas tous égaux devant l’électricité. Ainsi, selon l’Agence internationale de l’énergie, 1,2 milliard d’humains n’auraient pas accès à l’électricité, ce qui représente 17 % de la population mondiale (soit plus de un sur six !). Ces individus habitent pour l’essentiel en Asie et en Afrique Sub-Saharienne. On doit bien sûr remédier à cette situation, mais sans négliger les enjeux climatiques et environnementaux qui obligent, à l’échelle internationale, à opérer une transition énergétique contrôlée, mais rapide, vers la production massive d’énergies renouvelables par nature bien souvent intermittentes. C’est le cœur des accords de Paris et plus récemment de la COP 23. Cette nouvelle vision du mix énergétique invite à repenser nos schémas conventionnels et à s’orienter vers une distribution de plus en plus décentralisée mettant à profit des ressources localement disponibles qui limite le transport d’énergie, un aspect clef pour des sites isolés.

Storengy

1 : L’île de Semakau et son éolienne, clef de voûte du micro-grid SPORE. © ENGIE

Dans ce cadre, les micro-grids apportent une réponse incontournable. De quoi s’agit-il ? Ce sont des réseaux de petite taille, indépendants, capables de collecter et de distribuer sur un territoire une énergie produite de façon décentralisée. Ils sont particulièrement adaptés pour répondre aux besoins d’électrification en Asie du Sud Est où, d’une part, l’insularité est importante et, d’autre part, le développement des infrastructures est parfois limité. De fait, il est souvent impossible de raccorder l’île au réseau national. Dans ces régions dites « off-grid », c’est-à-dire hors connexion, les micro-grids fondés sur des ressources locales sont une solution fiable et durable pour pallier les problèmes de l’approvisionnement énergétique, que ce soit en termes d’électricité, de carburant, ou bien de stockage d’énergie. L’enjeu est de gérer l’approvisionnement en énergie – électricité, mobilité, gaz –, la connexion et la stabilité électrique liées aux caractéristiques des multiples composants du micro-grid, c’est-à-dire les unités de stockage et de production ainsi que la demande des utilisateurs. Une solution de ce type est en cours d’installation sur l’île Semakau.

Sur cette île située à 8 kilomètres au large de la cité-Etat Singapour (voir la figure 1), ENGIE, par l’intermédiaire de son centre d’expertise local, ENGIE Lab Singapore, développe en partenariat avec Schneider Electric un micro-grid innovant au travers de son démonstrateur SPORE (Sustainable Powering of Off-grid REgion). D’une superficie de deux kilomètres carrés, Semakau (son nom complet est Semakau-landfill), était surtout une décharge d’enfouissement des cendres produites par les usines d’incinération des déchets de Singapour. Une partie du terrain a été alloué à l’Energy Research Institute at the Nanyang Technological University (ERI@N), le centre d’expertise énergétique de la Nanyang Technological University (NTU), afin de piloter l’initiative REIDS (Renewable Energy Integration Demonstrator Singapore), un projet de grande envergure dédié au développement de la plus grande plateforme test de micro-grids sous les tropiques. L’objectif est d’accélérer la recherche en ce domaine et de stimuler le développement de la filière. Le projet REIDS est soutenu par l’EDB (Singapore Economic Development Board) et la NEA (National Environment Agency), deux entités gouvernementales parmi les plus influentes de Singapour. Le micro-grid SPORE d’ENGIE et de Schneider Electric s’inscrit dans ce projet REIDS.

Où en est-on de l’installation de ce démonstrateur ? Les panneaux solaires sont déjà en place, et une étape cruciale a été franchie avec l’installation en octobre 2017 de la plus haute éolienne sur le territoire singapourien (voir la figure 1), spécialement conçue pour une configuration « off-grid ». Un autre événement majeur dans le déploiement du micro-grid a été la livraison sur Semakau d’une voiture à hydrogène, l’une des premières du pays. Ce véhicule s’insère dans la chaîne complète hydrogène, dite Power-to-Power (voir la figure 2), installée sur l’île et entièrement connectée au micro-grid.

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2 : L’hydrogène rend l’île Semakau autonome en énergie grâce à une chaîne complète (reliée au micro-grid) de production, de stockage et d’utilisation sous forme d’électricité et de carburant.

L’hydrogène, clef de voûte de SPORE

En effet, l’élément clef de SPORE est une « brique hydrogène » destinée à stocker le surplus d’énergie produit et lisser les intermittences inhérentes aux énergies renouvelables (ici, solaire et éolien) pour apporter plus de flexibilité sur le réseau. Cet élément conserve l’électricité sous forme gazeuse afin de la délivrer lorsque la demande est plus importante.

Concernant le stockage, l’hydrogène est dans le projet SPORE un complément des batteries, la solution technologique « conventionnelle » de stockage de l’électricité. La batterie du micro-grid a une puissance installée de 200kW pour des modules de stockage atteignant les 200kWh en capacité. Si la batterie est intéressante pour de courtes durées (dans notre cas, la consommation électrique moyenne de 5 à 10 foyers pendant une journée), l’hydrogène est beaucoup plus intéressant sur du long terme, notamment pour pallier les effets de saisonnalité. En outre, avec l’hydrogène, la capacité de stockage est plus facilement modulable selon les utilisations, car elle n’est limitée que par la taille des réservoirs. La chaîne Power-to-power de SPORE a une capacité de stockage de 2MWh, pour une quantité d’hydrogène de 50kg.

Par ailleurs, le micro-grid intègre la production d’hydrogène destinée à alimenter une station de recharge pour véhicules. L’hydrogène est donc ici également un carburant vert directement produit et consommé sur site, ce qui constitue un atout très important pour une utilisation et un déploiement off-grid dans des régions isolées du monde, pour les rendre autonomes en énergie au sens large. À Semakau, la station peut recharger jusqu’à 20 véhicules par jour, et ce en moins de 5 minutes chacun, tout comme une voiture classique, leur conférant une autonomie de 200 kilomètres.

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3 : La première voiture à hydrogène de Semakau et la station de recharge en hydrogène vert

L’exemple de SPORE le montre, l’hydrogène peut être produit pour divers usages. Le premier est le stockage d’électricité, en complément à l’utilisation de batteries, particulièrement adapté dans le cas de sources renouvelables caractérisées par des surplus fréquents et une intermittence structurelle. Le second usage est celui de carburant « vert » pour une utilisation locale. La chaîne complète Power-to-power, contribue à assurer la stabilité du réseau tout en s’intégrant dans un schéma classique de micro-grid. L’association avec les autres éléments du micro-grid est optimisée grâce à des outils de gestion du réseau, en l’occurrence le Power Management System (PMS), développé par Schneider Electric et l’Energy Management System (EMS) mis au point par ENGIE.

Le premier assure le contrôle du micro-grid en temps réel sur chacun de ses éléments en équilibrant la production électrique et le stockage en fonction de la demande à court terme. Un des enjeux du PMS est de favoriser au maximum l’intégration des énergies renouvelables sur le réseau. Le second, l’EMS, est dédié à l’optimisation du micro-grid à moyen terme, de 15 minutes à 1 an. Il intègre dans son algorithme les prévisions météorologiques afin de modéliser le profil de production du micro-grid. Le logiciel modélise également la demande en énergie des consommateurs à l’aide des données historiques. L’EMS permet ainsi de gérer l’intermittence des ressources en fonction des conditions météorologiques, ainsi que la bonne intégration des différents canaux du micro grid. C’est là une approche tout à fait innovante.

Ces technologies d’optimisation du réseau à petite échelle sont un défi à relever afin de développer la filière micro-grid, notamment dans les régions isolées où l’accès à une source fiable et abordable d’énergie est un problème permanent. La volonté d’incorporer au maximum des énergies renouvelables dans notre production électrique va notablement influer sur le maintien et la stabilité des réseaux. Le démonstrateur SPORE est essentiel pour valider l’intégration des différentes technologies du point de vue logistique, mais également vis-à-vis de leur optimisation. Dès sa mise en service, le micro grid deviendra un laboratoire à taille réelle pour tester et mettre en place de nouvelles solutions innovantes en matière de smart grid. SPORE sera alors un modèle réplicable en vue de prochains déploiements de micro grids pour ENGIE, que cela soit au niveau de la logistique ou bien des logiciels qui auront été développés pour assurer son bon fonctionnement.

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