Innovation, vulgarisation et application de la technologie de production d'énergie à base d'hydrogène - une étude de cas d'Ally Hi-Tech
Lien d'origine:https://mp.weixin.qq.com/s/--dP1UU_LS4zg3ELdHr-Sw
Note de l'éditeur : Ceci est un article 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 l'industrie de l'hydrogène (2021-2035) (ci-après dénommé « le Plan »). Ce plan définit les caractéristiques énergétiques de l'hydrogène et propose d'en faire un élément essentiel du futur système énergétique national et une orientation clé des nouvelles industries stratégiques. Les véhicules à pile à combustible constituent le principal domaine d'application de l'hydrogène et une avancée majeure du 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 été successivement lancées, la démonstration et l'application à grande échelle de 10 000 véhicules à pile à combustible ont commencé à être lancées, et le développement de l'industrie de l'énergie hydrogène porté par la démonstration et l'application des véhicules à pile à combustible a été mis en pratique.
Français Dans le même temps, des percées ont également été réalisées dans l'application et l'exploration de l'énergie hydrogène dans des secteurs hors transport tels que l'acier, l'industrie chimique et la construction. À l'avenir, les applications diversifiées et multi-scénarios de l'énergie hydrogène entraîneront une forte demande d'hydrogène. Selon les prévisions de l'Alliance chinoise pour l'énergie hydrogène, d'ici 2030, la demande d'hydrogène de la Chine atteindra 35 millions de tonnes, et l'énergie hydrogène représentera au moins 5 % du système énergétique terminal chinois ; d'ici 2050, la demande d'hydrogène atteindra près de 60 millions de tonnes, l'énergie hydrogène représentera plus de 10 % du système énergétique terminal chinois, et la valeur de la production annuelle de la chaîne industrielle atteindra 12 000 milliards de yuans.
Du point de vue du développement industriel, l'industrie chinoise de l'hydrogène n'en est qu'à ses débuts. Dans le cadre de son application, de sa démonstration et de sa promotion, l'insuffisance de l'approvisionnement et le coût élevé de l'hydrogène comme source d'énergie ont toujours constitué un obstacle majeur au développement de cette industrie. En tant que maillon essentiel de l'approvisionnement en hydrogène, les problèmes liés au prix départ usine élevé et aux coûts élevés de stockage et de transport de l'hydrogène pour les véhicules demeurent importants.
Par conséquent, la Chine doit accélérer de toute urgence l’innovation, la vulgarisation et l’application de technologies de production d’hydrogène à faible coût, améliorer l’économie des applications de démonstration en réduisant le coût de l’approvisionnement en énergie de l’hydrogène, soutenir l’application de démonstration à grande échelle des véhicules à pile à combustible, puis stimuler le développement de l’ensemble de l’industrie de l’énergie de l’hydrogène.
Le prix élevé de l'hydrogène est un problème majeur dans le développement de l'industrie chinoise de l'énergie hydrogène
La Chine est un grand pays producteur d'hydrogène. Sa production est répartie entre les industries pétrochimique, chimique, de cokéfaction et autres. La majeure partie de l'hydrogène produit est utilisée comme produit intermédiaire pour le raffinage du pétrole, l'ammoniac synthétique, le méthanol et d'autres produits chimiques. Selon les statistiques de l'Alliance chinoise pour l'énergie de l'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 de coproduits industriels. Parmi ces sources, la production d'hydrogène à partir du charbon s'élève à 21,34 millions de tonnes, soit 63,5 %. Viennent ensuite la production d'hydrogène à partir de coproduits industriels et d'hydrogène à partir du gaz naturel, avec des productions respectives de 7,08 millions de tonnes et de 4,6 millions de tonnes. La production d'hydrogène par électrolyse de l'eau est relativement faible, environ 500 000 tonnes.
Bien que le procédé industriel de production d'hydrogène soit mature, que la chaîne industrielle soit complète et que son acquisition soit relativement aisée, l'approvisionnement en hydrogène énergétique reste confronté à d'importants défis. Le coût élevé des matières premières et des transports liés à la production d'hydrogène entraîne une augmentation du prix final de l'hydrogène. Pour vulgariser et appliquer à grande échelle la technologie de l'hydrogène énergétique, il est essentiel de surmonter les obstacles liés aux coûts élevés d'acquisition et de transport. Parmi les méthodes de production d'hydrogène existantes, la production d'hydrogène à partir du 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 coûteuse en énergie.
Même avec une faible consommation d'électricité, le coût de production de l'hydrogène dépasse 20 yuans/kg. Le faible coût et les faibles émissions de carbone de la production d'hydrogène, issue de l'abandon des énergies renouvelables, constituent un axe important pour l'approvisionnement futur en hydrogène. Actuellement, la technologie est progressivement mature, mais les lieux d'acquisition sont relativement éloignés, les coûts de transport sont très élevés et il n'existe aucun scénario de promotion ni d'application. Du point de vue de la composition du coût de l'hydrogène, 30 à 45 % du prix de l'hydrogène énergétique sont liés au coût de son transport et de son remplissage. La technologie actuelle de transport de l'hydrogène, basée sur l'hydrogène gazeux haute pression, présente un volume de transport par véhicule limité, une faible rentabilité pour le transport longue distance, et les technologies de stockage et de transport à l'état solide et d'hydrogène liquide ne sont pas encore matures. L'externalisation de l'hydrogène gazeux vers les stations de ravitaillement en hydrogène reste la principale solution.
Dans les spécifications de gestion actuelles, l'hydrogène est toujours classé comme produit chimique dangereux. La production industrielle d'hydrogène à grande échelle doit intégrer le parc industriel chimique. Cette production ne répond pas à la demande des véhicules décentralisés, ce qui entraîne des prix élevés. Une technologie de production et de ravitaillement en hydrogène hautement intégrée est nécessaire pour réaliser une percée majeure. Le prix de la production d'hydrogène au gaz naturel est raisonnable, ce qui permet un approvisionnement stable et à grande échelle. Par conséquent, dans les zones où le gaz naturel est relativement abondant, les stations de production et de ravitaillement intégrées au gaz naturel constituent une option d'approvisionnement en hydrogène viable et une solution réaliste pour promouvoir les stations de ravitaillement en hydrogène, réduire les coûts et résoudre les problèmes complexes de ravitaillement dans certaines régions. On compte actuellement environ 237 stations de production d'hydrogène intégrées sur châssis dans le monde, soit environ un tiers du nombre total de stations de ravitaillement en hydrogène à l'étranger. Parmi elles, le Japon, l'Europe, l'Amérique du Nord et d'autres régions adoptent largement ce mode de fonctionnement. Au niveau national, Foshan, Weifang, Datong et Zhangjiakou, entre autres, ont commencé à explorer la construction et l'exploitation pilotes de stations intégrées de production et de ravitaillement en hydrogène. On peut s'attendre à ce qu'après la mise en place de politiques et de réglementations en matière de gestion et de production d'hydrogène, ces stations intégrées deviendront un choix réaliste pour l'exploitation commerciale de stations de ravitaillement en hydrogène.
Expérience en innovation, vulgarisation et application de la technologie de production d'hydrogène d'Ally Hi-Tech
Entreprise leader dans la production d'hydrogène en Chine, Ally Hi-Tech se consacre depuis plus de 20 ans à la recherche et au développement de nouvelles solutions énergétiques et de technologies avancées de production d'hydrogène. De nombreuses avancées ont été réalisées dans des domaines techniques de pointe tels que la production d'hydrogène à partir de gaz naturel à petite échelle, la production d'hydrogène par oxydation catalytique du méthanol, la production d'hydrogène par électrolyse de l'eau à haute température, la production d'hydrogène par décomposition de l'ammoniac, la production d'ammoniac synthétique à petite échelle, le convertisseur de méthanol monomère de grande capacité, les systèmes intégrés de production et d'hydrogénation d'hydrogène et la 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 innovations technologiques dans ce domaine, notamment la conversion du méthanol, le reformage du gaz naturel et la purification directionnelle de l'hydrogène par amplification pulsée (PSA). Parmi ces innovations, un ensemble unique d'équipements de production d'hydrogène par conversion du méthanol, développé et conçu par l'entreprise, offre une capacité de production d'hydrogène de 20 000 Nm³/h. La pression maximale atteint 3,3 MPa, atteignant ainsi le niveau international le plus avancé. L'entreprise a réalisé une percée dans la technologie de production d'hydrogène par reformage du gaz naturel (méthode SMR).
Grâce à la technologie de reformage par échange thermique, la capacité de production d'hydrogène d'un seul équipement peut atteindre 30 000 Nm³/h. La pression maximale peut atteindre 3,0 MPa, ce qui réduit considérablement les coûts d'investissement et la consommation d'énergie de gaz naturel de 33 %. Concernant la technologie de purification directionnelle de l'hydrogène par adsorption modulée en pression (AMP), l'entreprise a développé une gamme complète de technologies de purification d'hydrogène, dont la capacité de production d'hydrogène par un seul équipement atteint 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 environnement de travail respectueux de l'environnement et une longue durée de vie. Il est largement utilisé dans le domaine de la séparation des gaz industriels.
Figure 1 : Équipement de production H2 d'Ally Hi-Tech
Attention portée au développement et à la promotion des produits de la série énergie hydrogène.
Parallèlement à l'innovation technologique et au développement de produits pour la production d'hydrogène, Ally Hi-Tech s'attache à développer le développement de produits dans le domaine des piles à combustible à hydrogène en aval. Elle promeut activement la recherche et le développement (R&D) et l'application de catalyseurs, d'adsorbants, de vannes de régulation, de petits équipements modulaires de production d'hydrogène et de systèmes d'alimentation électrique pour piles à combustible longue durée. Elle promeut également activement les technologies et équipements des stations intégrées de production et d'hydrogénation d'hydrogène. En matière de promotion de produits, l'équipe de conception technique d'Ally Hi-Tech est hautement qualifiée. L'entreprise s'engage à fournir des solutions complètes de production d'hydrogène, produits et services, et à promouvoir rapidement l'application commerciale de ses produits.
Des avancées ont été réalisées dans l’application des équipements de production d’hydrogène.
À l'heure actuelle, Ally Hi-Tech a construit plus de 620 équipements de production et de purification d'hydrogène. Parmi eux, Ally Hi-Tech a commercialisé plus de 300 équipements de production d'hydrogène à partir de méthanol, plus de 100 équipements de production d'hydrogène à partir de gaz naturel et plus de 130 équipements pour de grands projets PSA, et a mené plusieurs projets de production d'hydrogène d'envergure nationale.
Ally Hi-Tech a collaboré avec des entreprises nationales et internationales de renom, telles que Sinopec, PetroChina, Zhongtai Chemical, Plug Power Inc. America, Air Liquid France, Linde Germany, Praxair America, Iwatani Japan et BP. C'est l'un des fournisseurs d'équipements complets, avec le plus grand approvisionnement mondial en équipements de production d'hydrogène de petite et moyenne taille. 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'équipement intégré de production d'hydrogène au gaz naturel de troisième génération d'Ally Hi-Tech a été exporté vers American Plug Power Inc., conçu et fabriqué conformément aux normes américaines, créant ainsi un précédent pour l'exportation d'équipements chinois de production d'hydrogène au gaz naturel vers les États-Unis.
Figure 2. Équipement intégré de production et d'hydrogénation d'hydrogène exporté par Ally Hi-Tech aux États-Unis
Construction du premier lot de station intégrée de production et d'hydrogénation d'hydrogène.
Face aux problèmes pratiques liés à l'instabilité des sources d'approvisionnement et aux prix élevés de l'hydrogène, Ally High-Tech s'engage à promouvoir l'application d'une technologie de production d'hydrogène hautement intégrée et à exploiter le réseau d'approvisionnement en méthanol, le réseau de gazoducs et les stations-service GNC et GNL existants pour reconstruire et agrandir la station intégrée de production et de ravitaillement en hydrogène. En septembre 2021, la première station nationale intégrée de production et d'hydrogénation d'hydrogène au gaz naturel, sous contrat général d'Ally Hi-Tech, a été mise en service à la station d'hydrogénation de Nanzhuang à Foshan.
La station comprend une unité de production d'hydrogène par reformage de 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, avec une capacité d'hydrogénation externe de 1 000 kg/jour. Il s'agit d'une station d'hydrogénation intégrée classique « production + compression + stockage + remplissage d'hydrogène ». Elle est à la pointe de l'industrie en matière d'application de catalyseurs à large variation de température et de technologies de co-épuration directionnelle respectueuses de l'environnement, ce qui améliore le rendement de la production d'hydrogène de 3 % et réduit efficacement la consommation d'énergie. La station présente un haut niveau d'intégration, une faible surface au sol et des équipements de production d'hydrogène hautement intégrés.
La production d'hydrogène dans la station réduit les liaisons de transport et les coûts de stockage et de transport, ce qui diminue directement la consommation d'hydrogène. La station dispose d'une interface externe permettant le remplissage de remorques tubulaires longues et servant de station mère pour alimenter en hydrogène les stations d'hydrogénation environnantes, formant ainsi une sous-station régionale intégrée d'hydrogénation. De plus, cette station intégrée de production et d'hydrogénation d'hydrogène peut être reconstruite et agrandie en s'appuyant sur le réseau de distribution de méthanol, le réseau de gazoducs et d'autres installations existantes, ainsi que sur les stations-service et les stations-service GNC et GNL, ce qui facilite sa mise en œuvre.
Figure 3 Station intégrée de production et d'hydrogénation d'hydrogène à Nanzhuang, Foshan, Guangdong
Dirige activement l’innovation, la promotion et l’application de l’industrie ainsi que les échanges et la coopération internationaux.
En tant qu'entreprise de haute technologie clé du programme national Torch, entreprise pilote de la nouvelle économie et nouvelle entreprise spécialisée dans la province du Sichuan, Ally Hi-Tech est un fer de lance de l'innovation industrielle et promeut les échanges et la coopération internationaux. Depuis 2005, Ally Hi-Tech a fourni des technologies et des équipements de production d'hydrogène pour les principaux 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 production d'hydrogène 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'hydrogène, Ally Hi-Tech a activement participé à l'élaboration d'un système de normes pour l'hydrogène en Chine et à l'étranger, pilotant l'élaboration d'une norme nationale et participant à la formulation de sept normes nationales et d'une norme internationale. Parallèlement, Ally Hi-Tech a activement promu les échanges et la coopération internationaux, créé Chengchuan Technology Co., Ltd. au Japon, développé une nouvelle génération de technologie de production d'hydrogène, la cogénération SOFC et des produits connexes, et collaboré avec des entreprises américaines, allemandes et japonaises dans les domaines de la nouvelle technologie de production d'hydrogène par électrolyse de l'eau et de la technologie de synthèse d'ammoniac à petite échelle. Forte de 45 brevets déposés en Chine, aux États-Unis et dans l'Union européenne, Ally Hi-Tech est une entreprise technologique emblématique tournée vers l'exportation.
Suggestion de politique
Selon l'analyse ci-dessus, grâce à l'innovation technologique dans la production d'hydrogène, Ally Hi-Tech a réalisé des avancées majeures dans le développement, la promotion et l'application d'équipements de production d'hydrogène, ainsi que dans la construction et l'exploitation de stations intégrées de production et de ravitaillement en hydrogène. Ces avancées sont cruciales pour l'innovation technologique indépendante de la Chine dans le domaine de l'hydrogène et la réduction des coûts de consommation. Afin de garantir et d'améliorer l'approvisionnement en hydrogène, d'accélérer la construction d'un réseau d'approvisionnement en hydrogène sûr, stable et efficace, et de bâtir un système de production d'hydrogène diversifié, propre, bas carbone et à faible coût, la Chine doit renforcer l'innovation technologique et le développement de produits dans le domaine de la production d'hydrogène, surmonter les contraintes politiques et réglementaires et encourager l'essai de nouveaux équipements et modèles à fort potentiel commercial. En améliorant encore les politiques de soutien et en optimisant l'environnement industriel, nous contribuerons au développement de l'industrie chinoise de l'hydrogène et soutiendrons activement la transition énergétique verte.
Améliorer le système politique de l’industrie de l’énergie hydrogène.
À l'heure actuelle, le « positionnement stratégique et les politiques de soutien du secteur de l'hydrogène » ont été publiés, mais l'orientation précise de son développement n'a pas encore été définie. Afin de lever les obstacles institutionnels et les freins politiques au développement industriel, la Chine doit renforcer l'innovation politique, formuler des normes de gestion de l'hydrogène parfaites, clarifier les processus et les institutions de gestion de la préparation, du stockage, du transport et du remplissage, et mettre en œuvre les responsabilités du service responsable de la supervision de la sécurité. S'en tenir au modèle d'application de démonstration, moteur du développement industriel, et promouvoir pleinement le développement de démonstrations diversifiées de l'hydrogène dans les domaines du transport, du stockage d'énergie, de l'énergie décentralisée, etc.
Construire un système d’approvisionnement en énergie hydrogène adapté aux conditions locales.
Les collectivités locales doivent examiner en profondeur la capacité d'approvisionnement en hydrogène, les bases industrielles et le marché régional, en s'appuyant sur les atouts des ressources existantes et potentielles. Elles doivent également sélectionner des méthodes de production d'hydrogène adaptées aux conditions locales, construire des capacités de garantie d'approvisionnement en hydrogène, privilégier l'utilisation de l'hydrogène dérivé de l'industrie et privilégier le développement de la production d'hydrogène à partir d'énergies renouvelables. Elles doivent également encourager les régions concernées à coopérer par de multiples canaux pour construire un système local d'approvisionnement en hydrogène bas carbone, sûr, stable et économique, afin de répondre à la demande des grandes sources d'hydrogène.
Accroître l’innovation technologique des équipements de production d’hydrogène.
Promouvoir la recherche et le développement, la fabrication et l'application industrielle d'équipements clés pour la purification et la production d'hydrogène, et bâtir un système technologique de développement de haute qualité pour les équipements de production d'hydrogène en s'appuyant sur des entreprises performantes de la chaîne industrielle. Soutenir les entreprises leaders dans le domaine de la production d'hydrogène pour 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 manufacturière, s'attaquer aux problèmes clés des équipements de production d'hydrogène, soutenir les PME spécialisées et innovantes pour qu'elles participent à la recherche et au développement de technologies communes pour ces équipements, et former un groupe d'entreprises leaders dotées d'une forte autonomie technologique.
Renforcer le soutien politique aux stations intégrées de production d’hydrogène et d’hydrogénation.
Le Plan souligne que pour explorer de nouveaux modèles, tels que les stations hydrogène intégrant la production, le stockage et l'hydrogénation, il est nécessaire de lever les contraintes politiques pesant sur la construction de stations intégrées. Il est essentiel d'introduire au plus vite la loi nationale sur l'énergie afin de définir les caractéristiques énergétiques de l'hydrogène. Lever les restrictions à la construction de stations intégrées, promouvoir les stations intégrées de production et d'hydrogénation d'hydrogène, et réaliser des démonstrations pilotes de construction et d'exploitation de stations intégrées dans les zones économiquement développées et riches en ressources en gaz naturel. Il est également nécessaire d'accorder des subventions financières pour la construction et l'exploitation de stations intégrées répondant aux exigences de prix et de normes d'émission de carbone, d'aider les entreprises leaders concernées à déposer leur candidature au statut d'entreprise nationale spécialisée et nouvellement créée, et d'améliorer les spécifications et normes techniques de sécurité des stations intégrées de production et d'hydrogénation d'hydrogène.
Réaliser activement la démonstration et la promotion de nouveaux modèles commerciaux.
Encourager l'innovation en matière de modèles économiques, notamment la production intégrée d'hydrogène en stations, l'approvisionnement énergétique global en pétrole, hydrogène et électricité, et l'exploitation coordonnée de « l'hydrogène, des véhicules et des stations ». Dans les régions où le parc de véhicules à pile à combustible est important et où l'approvisionnement en hydrogène est fortement sollicité, nous explorerons des stations intégrées de production et d'hydrogénation d'hydrogène à partir de gaz naturel, et encouragerons les zones où les prix du gaz naturel sont raisonnables et où les véhicules à pile à combustible sont utilisés comme véhicules de démonstration. Dans les régions où les ressources éoliennes et hydrauliques sont abondantes et où les applications de l'hydrogène sont nombreuses, nous construirons des stations intégrées de production et d'hydrogénation d'hydrogène utilisant des énergies renouvelables, étendrons progressivement les démonstrations, créerons des expériences reproductibles et popularisables, et accélérerons la réduction des émissions de carbone et des coûts de l'hydrogène.
(Auteur : équipe de recherche sur l'industrie du futur du Centre de conseil en information Yiwei Zhiyuan de Pékin)
Date de publication : 29 septembre 2022
