Innovation, vulgarisation et application de la technologie de production d'énergie hydrogène : une étude de cas d'Ally Hi-Tech
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Note de la rédaction : Cet article a été initialement publié par le compte officiel WeChat : China Thinktank
Le 23 mars, la Commission nationale du développement et de la réforme et l'Administration nationale de l'énergie de Chine ont publié conjointement le plan à moyen et long terme pour le développement de la filière hydrogène (2021-2035) (ci-après dénommé « le plan »), qui définit les caractéristiques énergétiques de l'hydrogène et propose que cette énergie soit une composante essentielle du futur système énergétique national et un axe prioritaire des nouvelles industries stratégiques. Les véhicules à pile à combustible représentent le principal domaine d'application de l'hydrogène et une avancée majeure pour le développement industriel en Chine.
En 2021, sous l'impulsion de la politique nationale de démonstration et d'application des véhicules à pile à combustible, les cinq agglomérations urbaines de Pékin, Tianjin, Hebei, Shanghai, Guangdong, Hebei et Henan ont successivement lancé la démonstration et l'application à grande échelle de 10 000 véhicules à pile à combustible, et le développement de l'industrie de l'énergie hydrogène, stimulé par la démonstration et l'application des véhicules à pile à combustible, a été mis en pratique.
Parallèlement, des avancées majeures ont été réalisées dans l'application et l'exploration de l'énergie hydrogène dans des secteurs autres que les transports, tels que la sidérurgie, l'industrie chimique et la construction. À l'avenir, la diversification et la multiplicité des applications de l'énergie hydrogène engendreront une forte demande. Selon les prévisions de l'Alliance chinoise pour l'énergie hydrogène, d'ici 2030, la demande chinoise en hydrogène atteindra 35 millions de tonnes, et l'énergie hydrogène représentera au moins 5 % du système énergétique final chinois. D'ici 2050, la demande en hydrogène avoisinera les 60 millions de tonnes, l'énergie hydrogène représentera plus de 10 % du système énergétique final chinois, et la valeur annuelle de la production de la chaîne industrielle atteindra 12 000 milliards de yuans.
Du point de vue du développement industriel, l'industrie chinoise de l'hydrogène est encore à ses débuts. Lors des phases d'application, de démonstration et de promotion de l'hydrogène, l'insuffisance de l'offre et le coût élevé de cette énergie constituent des obstacles majeurs à son développement. En tant que maillon essentiel de la chaîne d'approvisionnement, le prix départ usine élevé et les coûts importants de stockage et de transport de l'hydrogène destiné aux véhicules demeurent des problèmes importants.
Par conséquent, la Chine doit accélérer de toute urgence l'innovation, la popularisation et l'application de la technologie de production d'hydrogène à bas coût, améliorer la rentabilité des applications de démonstration en réduisant le coût de l'approvisionnement en énergie hydrogène, soutenir l'application de démonstration à grande échelle des véhicules à pile à combustible, et ainsi stimuler le développement de l'ensemble du secteur de l'énergie hydrogène.
Le prix élevé de l'hydrogène constitue un problème majeur pour le développement de l'industrie chinoise de l'énergie hydrogène.
La Chine est un grand pays producteur d'hydrogène. La production d'hydrogène est répartie entre les industries pétrochimique, chimique, de cokéfaction et autres. La majeure partie de l'hydrogène produit est utilisée comme produit intermédiaire dans le raffinage du pétrole, la synthèse d'ammoniac, de méthanol et d'autres produits chimiques. Selon les statistiques de l'Alliance chinoise pour l'énergie hydrogène, la production actuelle d'hydrogène en Chine s'élève à environ 33 millions de tonnes, principalement à partir du charbon, du gaz naturel et d'autres énergies fossiles, ainsi que de la purification des gaz issus de la production industrielle. La production d'hydrogène à partir du charbon représente 21,34 millions de tonnes, soit 63,5 % de la production totale. Viennent ensuite la production d'hydrogène à partir de gaz naturel et de gaz issu de la production de sous-produits industriels, avec respectivement 7,08 millions et 4,6 millions de tonnes. La production d'hydrogène par électrolyse de l'eau est relativement faible, de l'ordre de 500 000 tonnes.
Bien que le procédé industriel de production d'hydrogène soit mature, la chaîne de valeur complète et l'approvisionnement relativement aisé, la fourniture d'hydrogène énergétique reste confrontée à d'importants défis. Le coût élevé des matières premières et du transport de l'hydrogène entraîne un prix de vente final élevé. Pour permettre une diffusion et une application à grande échelle de la technologie de l'hydrogène énergétique, il est essentiel de surmonter les obstacles que représentent le coût élevé d'acquisition et de transport de l'hydrogène. Parmi les méthodes de production d'hydrogène existantes, la production d'hydrogène à partir de charbon est peu coûteuse, mais ses émissions de carbone sont élevées. La production d'hydrogène par électrolyse de l'eau dans les grandes industries est, quant à elle, très énergivore.
Même avec une faible production d'électricité, le coût de production de l'hydrogène dépasse 20 yuans/kg. La production d'hydrogène à faible coût et à faibles émissions de carbone à partir de l'énergie renouvelable non utilisée constitue une voie importante pour l'approvisionnement futur en hydrogène. Actuellement, la technologie est en voie de maturation, mais les sites d'approvisionnement sont relativement éloignés, les coûts de transport très élevés et il n'existe pas de stratégie de promotion ni d'application concrète. Du point de vue de la composition du coût de l'hydrogène, 30 à 45 % de son prix énergétique correspondent aux coûts de transport et de remplissage. La technologie de transport actuelle, basée sur l'hydrogène gazeux à haute pression, présente une capacité de transport par véhicule limitée, une faible rentabilité pour le transport longue distance et des technologies de stockage et de transport à l'état solide et liquide encore en développement. L'approvisionnement en hydrogène gazeux via les stations de ravitaillement reste la principale solution.
Dans la réglementation actuelle, l'hydrogène est toujours classé comme produit chimique dangereux. La production industrielle d'hydrogène à grande échelle nécessite l'implantation de parcs industriels chimiques. Cette production ne répond pas à la demande en hydrogène pour les véhicules autonomes, ce qui entraîne des prix élevés. Une technologie de production et de distribution d'hydrogène hautement intégrée est donc indispensable pour une avancée significative. Le prix de l'hydrogène produit à partir de gaz naturel est raisonnable, permettant un approvisionnement stable et à grande échelle. Par conséquent, dans les régions riches en gaz naturel, les stations intégrées de production et de distribution d'hydrogène à partir de gaz naturel constituent une solution viable et une voie réaliste pour promouvoir les stations de distribution, réduire les coûts et résoudre les problèmes de ravitaillement rencontrés dans certaines zones. Actuellement, on compte environ 237 stations de production d'hydrogène intégrées sur châssis dans le monde, soit environ un tiers du nombre total de stations de distribution d'hydrogène à l'étranger. Le Japon, l'Europe, l'Amérique du Nord et d'autres régions ont largement adopté ce modèle d'exploitation. Sur le plan national, Foshan, Weifang, Datong, Zhangjiakou et d'autres villes ont entamé des projets pilotes de construction et d'exploitation de stations intégrées de production et de distribution d'hydrogène. On peut prévoir qu'après la mise en place de politiques et de réglementations efficaces en matière de gestion et de production d'hydrogène, ce type de station intégrée constituera une solution réaliste pour l'exploitation commerciale des stations de ravitaillement en hydrogène.
Expérience d'Ally Hi-Tech en matière d'innovation, de vulgarisation et d'application de la technologie de production d'hydrogène
Entreprise leader dans le secteur de la production d'hydrogène en Chine, Ally Hi-Tech se consacre depuis plus de 20 ans à la recherche et au développement de solutions énergétiques nouvelles et de technologies de pointe pour la production d'hydrogène. Elle a réalisé de nombreuses avancées majeures dans des domaines techniques de pointe tels que la production d'hydrogène à partir de gaz naturel à petite échelle, par oxydation catalytique du méthanol, par électrolyse de l'eau à haute température, par décomposition de l'ammoniac, par synthèse d'ammoniac à petite échelle, ainsi que dans les systèmes intégrés de production et d'hydrogénation d'hydrogène et les technologies de purification directionnelle de l'hydrogène pour véhicules.
Continuer à promouvoir l'innovation technologique dans la production d'hydrogène.
Ally Hi-Tech place la production d'hydrogène au cœur de son activité et poursuit ses efforts d'innovation technologique dans ce domaine, notamment par la conversion du méthanol, le reformage du gaz naturel et la purification directionnelle de l'hydrogène par PSA. À titre d'exemple, un équipement de production d'hydrogène par conversion du méthanol, conçu et développé en interne, affiche une capacité de production de 20 000 Nm³/h. La pression maximale atteint 3,3 MPa, un niveau de performance international avancé, et présente de nombreux avantages : faible consommation d'énergie, sécurité et fiabilité, simplicité de fonctionnement et autonomie. L'entreprise a également réalisé une avancée majeure dans la technologie de production d'hydrogène par reformage du gaz naturel (méthode SMR).
La technologie de reformage par échange thermique est adoptée, et la capacité de production d'hydrogène d'une seule installation atteint 30 000 Nm³/h. La pression maximale peut atteindre 3,0 MPa, ce qui réduit considérablement les coûts d'investissement et diminue la consommation d'énergie liée au gaz naturel de 33 %. Concernant la technologie de purification directionnelle d'hydrogène par adsorption modulée en pression (PSA), l'entreprise a développé une gamme complète de systèmes de purification d'hydrogène, dont la capacité de production d'hydrogène d'une seule installation est de 100 000 Nm³/h. La pression maximale est de 5,0 MPa. Ce système se caractérise par un haut degré d'automatisation, une utilisation simple, un faible impact environnemental et une longue durée de vie. Il est largement utilisé dans le domaine de la séparation des gaz industriels.
Figure 1 : Ensemble d'équipements de production d'H2 par Ally Hi-Tech
Une attention particulière est portée au développement et à la promotion des produits de la gamme énergétique hydrogène.
Tout en menant des innovations technologiques et en développant des produits pour la production d'hydrogène, Ally Hi-Tech s'attache à étendre son offre aux piles à combustible en aval. L'entreprise encourage activement la R&D et l'application de catalyseurs, d'adsorbants, de vannes de régulation, d'équipements modulaires de petite taille pour la production d'hydrogène et de systèmes d'alimentation pour piles à combustible à longue durée de vie. Elle promeut également avec vigueur les technologies et équipements des stations intégrées de production et d'hydrogénation d'hydrogène. Forte d'une expertise pointue en ingénierie, Ally Hi-Tech s'engage à fournir des solutions énergétiques hydrogène complètes, produits et services, et assure une diffusion rapide de ses produits sur le marché.
Des avancées majeures ont été réalisées dans l'application des équipements de production d'hydrogène.
À ce jour, Ally Hi-Tech a construit plus de 620 unités de production et de purification d'hydrogène. Parmi celles-ci, plus de 300 unités de production d'hydrogène à partir de méthanol, plus de 100 unités de production d'hydrogène à partir de gaz naturel et plus de 130 unités pour des projets d'accords de partage de production (PSA) de grande envergure. L'entreprise a également mené à bien plusieurs projets de production d'hydrogène d'intérêt national.
Ally Hi-Tech collabore avec des entreprises de renom en Chine et à l'étranger, telles que Sinopec, PetroChina, Zhongtai Chemical, Plug Power Inc. (États-Unis), Air Liquide (France), Linde (Allemagne), Praxair (États-Unis), Iwatani (Japon) et BP. Elle figure parmi les principaux fournisseurs d'équipements et de services, et possède la plus importante gamme de systèmes de production d'hydrogène de petite et moyenne taille au monde. À ce jour, les équipements de production d'hydrogène d'Ally Hi-Tech sont exportés vers 16 pays et régions, dont les États-Unis, le Japon, la Corée du Sud, l'Inde, la Malaisie, les Philippines, le Pakistan, le Myanmar, la Thaïlande et l'Afrique du Sud. En 2019, l'exportation de son système intégré de production d'hydrogène à partir de gaz naturel de troisième génération vers les États-Unis a été réalisée par Ally Hi-Tech pour le compte de Plug Power Inc. (États-Unis). Ce système, conçu et fabriqué conformément aux normes américaines, a ouvert la voie à l'exportation d'équipements de production d'hydrogène à partir de gaz naturel chinois vers les États-Unis.
Figure 2. Équipement intégré de production et d'hydrogénation d'hydrogène exporté par Ally Hi-Tech vers les États-Unis
Construction du premier lot de stations intégrées de production et d'hydrogénation d'hydrogène.
Face aux difficultés pratiques liées à l'instabilité des sources d'approvisionnement et au prix élevé de l'hydrogène énergétique, Ally High-Tech s'engage à promouvoir l'application d'une technologie de production d'hydrogène hautement intégrée. L'entreprise s'appuie sur le système d'approvisionnement en méthanol existant, le réseau de gazoducs et les stations-service GNC et GNL pour reconstruire et étendre les stations intégrées de production et de distribution d'hydrogène. En septembre 2021, la première station intégrée de production et d'hydrogénation d'hydrogène à partir de gaz naturel du pays, réalisée sous contrat général avec Ally High-Tech, a été mise en service à la station d'hydrogénation de Nanzhuang, à Foshan.
La station est conçue avec une unité de production d'hydrogène par reformage du gaz naturel d'une capacité de 1 000 kg/jour et une unité de production d'hydrogène par électrolyse de l'eau d'une capacité de 100 kg/jour, pour une capacité d'hydrogénation externe de 1 000 kg/jour. Il s'agit d'une station d'hydrogénation intégrée typique, de type « production, compression, stockage et remplissage d'hydrogène ». Elle est pionnière dans l'application d'un catalyseur à large plage de températures respectueux de l'environnement et d'une technologie de co-purification directionnelle, ce qui améliore l'efficacité de la production d'hydrogène de 3 % et réduit efficacement la consommation d'énergie. La station se caractérise par un haut niveau d'intégration, une surface au sol réduite et des équipements de production d'hydrogène hautement intégrés.
La production d'hydrogène au sein de la station réduit les contraintes liées au transport et au stockage de l'hydrogène, ce qui diminue directement son coût de consommation. La station dispose d'une interface externe permettant le remplissage de semi-remorques et servant de station mère pour alimenter en hydrogène les stations d'hydrogénation environnantes, formant ainsi une station mère régionale intégrée de production et d'hydrogénation. De plus, cette station intégrée de production et d'hydrogénation d'hydrogène peut être facilement reconstruite et étendue en s'appuyant sur le réseau de distribution de méthanol, le réseau de gazoducs et autres infrastructures existantes, ainsi que sur les stations-service et les stations de remplissage de GNC et de GNL. Son déploiement et sa mise en œuvre sont donc aisés.
Figure 3 Station intégrée de production et d'hydrogénation d'hydrogène à Nanzhuang, Foshan, Guangdong
Contribue activement à l'innovation, à la promotion et à l'application des technologies dans l'industrie, ainsi qu'aux échanges et à la coopération internationaux.
En tant qu'entreprise de haute technologie clé du programme national Torch, entreprise pilote de la nouvelle économie et entreprise spécialisée de la province du Sichuan, Ally Hi-Tech est un acteur majeur de l'innovation industrielle et favorise les échanges et la coopération internationaux. Depuis 2005, Ally Hi-Tech a fourni avec succès des technologies et des équipements de production d'hydrogène pour les grands projets nationaux de piles à combustible 863 : la station de ravitaillement en hydrogène d'Anting à Shanghai, la station de ravitaillement en hydrogène des Jeux olympiques de Pékin et la station de ravitaillement en hydrogène de l'Exposition universelle de Shanghai. Elle a également fourni des équipements de haute qualité pour tous les projets de stations de production d'hydrogène du centre de lancement spatial chinois.
En tant que membre du Comité national de normalisation de l'énergie hydrogène, Ally Hi-Tech a participé activement à la mise en place d'un système de normes pour l'énergie hydrogène aux niveaux national et international. L'entreprise a notamment piloté la rédaction d'une norme nationale relative à l'énergie hydrogène et contribué à l'élaboration de sept normes nationales et d'une norme internationale. Parallèlement, Ally Hi-Tech a activement promu les échanges et la coopération internationaux. Au Japon, elle a créé Chengchuan Technology Co., Ltd., développé une nouvelle génération de technologies de production d'hydrogène, de cogénération par piles à combustible à oxyde solide (SOFC) et de produits associés. Ally Hi-Tech a également collaboré avec des entreprises aux États-Unis, en Allemagne et au Japon dans les domaines des nouvelles technologies de production d'hydrogène par électrolyse de l'eau et de la production d'ammoniac de synthèse à petite échelle. Forte de 45 brevets déposés en Chine, aux États-Unis et dans l'Union européenne, Ally Hi-Tech est une entreprise typique, axée sur la technologie et tournée vers l'exportation.
Proposition de politique
D'après l'analyse précédente, grâce à son innovation technologique dans la production d'hydrogène, Ally Hi-Tech a réalisé des avancées majeures dans le développement, la promotion et l'application des équipements de production d'hydrogène, ainsi que dans la construction et l'exploitation de stations intégrées de production et de ravitaillement. Ces avancées sont d'une importance capitale pour l'innovation technologique indépendante de la Chine dans le domaine de l'énergie hydrogène et la réduction du coût de sa consommation. Afin de garantir et d'améliorer l'approvisionnement en énergie hydrogène, d'accélérer la mise en place d'un réseau d'approvisionnement sûr, stable et efficace et de construire un système de production d'hydrogène propre, sobre en carbone et diversifié, la Chine doit renforcer l'innovation technologique et le développement de produits liés à l'hydrogène, lever les obstacles réglementaires et encourager la mise à l'essai de nouveaux équipements et modèles à fort potentiel commercial. En améliorant les politiques de soutien et en optimisant l'environnement industriel, nous contribuerons au développement de haute qualité de l'industrie chinoise de l'hydrogène et soutiendrons activement la transition énergétique verte.
Améliorer le système de politiques de l'industrie de l'énergie hydrogène.
À l'heure actuelle, des « politiques de positionnement stratégique et de soutien à l'industrie de l'hydrogène » ont été publiées, mais les orientations précises de son développement restent à définir. Afin de lever les obstacles institutionnels et les freins politiques à son développement, la Chine doit renforcer l'innovation politique, élaborer des normes de gestion de l'hydrogène optimales, clarifier les processus et les organismes de gestion de la préparation, du stockage, du transport et du remplissage, et renforcer les responsabilités du département chargé de la supervision de la sécurité. Elle doit privilégier le modèle d'application pilote du développement industriel et promouvoir activement le développement expérimental diversifié de l'hydrogène dans les domaines du transport, du stockage d'énergie, de la production d'énergie décentralisée, etc.
Mettre en place un système d'approvisionnement en énergie hydrogène adapté aux conditions locales.
Les collectivités locales devraient examiner de manière exhaustive les capacités de production d'hydrogène, le tissu industriel et le marché disponibles dans leur région, en s'appuyant sur les atouts des ressources existantes et potentielles. Elles devraient sélectionner les méthodes de production d'hydrogène les plus adaptées au contexte local, mettre en place des infrastructures de production d'hydrogène garantissant l'approvisionnement, privilégier l'utilisation de l'hydrogène issu de sous-produits industriels et développer la production d'hydrogène à partir d'énergies renouvelables. Il convient d'encourager les régions éligibles à coopérer par divers moyens afin de construire un système local de production d'hydrogène sobre en carbone, sûr, stable et économique, capable de répondre à la demande en hydrogène provenant de sources à grande échelle.
Accroître l'innovation technologique des équipements de production d'hydrogène.
Mettre l'accent sur la promotion de la R&D, de la fabrication et de l'application industrielle des équipements clés pour la purification et la production d'hydrogène, et construire un système de développement technologique de haute qualité pour les équipements de production d'hydrogène en s'appuyant sur les entreprises performantes de la chaîne industrielle. Soutenir les entreprises leaders dans le domaine de la production d'hydrogène afin qu'elles prennent l'initiative, mettre en place des plateformes d'innovation telles que des centres d'innovation industrielle, des centres de recherche en ingénierie, des centres d'innovation technologique et des centres d'innovation de fabrication, s'attaquer aux problèmes clés des équipements de production d'hydrogène, encourager les PME « spécialisées et innovantes » à participer à la recherche et au développement des technologies communes aux équipements de production d'hydrogène, et former un certain nombre d'entreprises championnes mono-niveaux dotées d'une forte autonomie technologique.
Renforcer le soutien politique aux stations intégrées de production et d'hydrogénation d'hydrogène.
Le Plan souligne que, pour explorer de nouveaux modèles tels que les stations à hydrogène intégrant la production, le stockage et l'hydrogénation de l'hydrogène, il est nécessaire de lever les obstacles politiques à la construction de ces stations. Il convient d'adopter au plus vite une loi nationale sur l'énergie définissant clairement les caractéristiques énergétiques de l'hydrogène. Il faut lever les restrictions sur la construction de stations intégrées, promouvoir les stations intégrées de production et d'hydrogénation d'hydrogène et mener des projets pilotes de construction et d'exploitation de telles stations dans les régions économiquement développées et riches en ressources de gaz naturel. Le Plan prévoit des subventions pour la construction et l'exploitation de stations intégrées respectant les normes de rentabilité et d'émissions de carbone, encourage les entreprises leaders du secteur à obtenir le statut d'« entreprise spécialisée et nouvelle » au niveau national, et améliore les spécifications techniques et les normes de sécurité des stations intégrées de production et d'hydrogénation d'hydrogène.
Mener activement des démonstrations et des actions de promotion de nouveaux modèles commerciaux.
Encourager l'innovation des modèles économiques, notamment la production intégrée d'hydrogène dans les stations, les stations énergétiques complètes (pétrole, hydrogène et électricité) et l'exploitation coordonnée des secteurs « hydrogène, véhicules et stations ». Dans les régions où le nombre de véhicules à pile à combustible est élevé et où l'approvisionnement en hydrogène est fortement tendu, étudier la possibilité de développer des stations intégrées de production et d'hydrogénation d'hydrogène à partir de gaz naturel, et encourager les régions où le prix du gaz naturel est raisonnable et où des véhicules à pile à combustible peuvent être mis en service à titre de démonstration. Dans les régions disposant de ressources éoliennes et hydroélectriques abondantes et où l'hydrogène présente des applications potentielles, construire des stations intégrées de production et d'hydrogénation d'hydrogène alimentées par des énergies renouvelables, étendre progressivement leur échelle de démonstration, constituer une expérience reproductible et généralisable, et accélérer la réduction des émissions de carbone et du coût de l'hydrogène énergétique.
(Auteur : équipe de recherche sur l’avenir de l’industrie du Centre de conseil en information Yiwei Zhiyuan de Pékin)
Date de publication : 29 septembre 2022
