Production d'hydrogène en mer : une nouvelle frontière pour l'énergie propre

En produisant de l'hydrogène directement en mer à l'aide de sources d'énergie éolienne, solaire et marine, ces installations contournent de nombreuses contraintes d'utilisation des terres et de ressources qui limitent les projets terrestres. Cette approche permet de tirer parti des vitesses de vent plus élevées et plus cohérentes disponibles sur l'eau libre, ainsi que de la vaste zone océanique, pour produire à l'échelle de l'hydrogène vert. L'hydrogène peut ensuite être transporté par pipeline ou expédié vers des centres industriels, des stations de ravitaillement et des centrales électriques, offrant un vecteur énergétique polyvalent qui complète l'intermittence des énergies renouvelables.

Plusieurs projets pilotes et initiatives commerciales sont déjà en cours de développement en Europe, au Japon et en Amérique du Nord. À mesure que la technologie arrivera à maturité, l'hydrogène offshore deviendra une alternative compétitive aux coûts de l'hydrogène à base de combustibles fossiles, permettant une décarbonisation profonde de secteurs tels que l'acier, la production d'ammoniac et le transport à longue distance.

Technologies de base pour la production d'hydrogène en mer

La production d'hydrogène offshore repose sur une série de technologies émergentes qui travaillent ensemble pour capturer les énergies renouvelables, diviser les molécules d'eau et livrer l'hydrogène résultant à la rive. Les composants les plus critiques sont les systèmes d'électrolyse avancés, les éoliennes flottantes de nouvelle génération et les solutions d'énergie hybride intégrée.

Électrolyse à haute efficacité : MEP, hexaline et oxyde solide

Dans les environnements offshore, le choix de la technologie de l'électrolyse est influencé par des facteurs tels que la durabilité dans l'air salé, la capacité de gérer l'entrée de puissance variable et l'efficacité à l'échelle. Les électrolysers à membrane d'échange de protons (PEM) sont devenus un candidat de premier plan en raison de leur densité de courant élevée, de leur réponse rapide à l'entrée fluctuante et de leur empreinte compacte.

Les électrolyseurs alcalins, une technologie plus mature, sont également adaptés pour une utilisation en mer. Ils offrent des coûts en capital plus faibles et une longue durée de vie opérationnelle, mais nécessitent généralement une alimentation en énergie constante. De nouvelles conceptions intègrent des diaphragmes et des catalyseurs avancés qui améliorent leur tolérance aux charges dynamiques, les rendant plus adaptés pour l'appariement avec le vent en mer. Pendant ce temps, ]Les électrolyseurs à oxyde solide (ESO) fonctionnent à des températures élevées (700–850°C) et peuvent atteindre des gains d'efficacité très élevés lorsque la chaleur résiduelle est disponible.

Des groupes de recherche et des entreprises comme ITM Power, Siemens Energy et Nel Hydrogen développent activement des piles délocalisées qui peuvent résister à l'atmosphère marine corrosive, réduire les intervalles d'entretien et fonctionner de façon fiable à des profondeurs de 50 mètres ou plus. L'initiative du département américain de l'Énergie (H2@Scale) a par exemple financé des projets de test d'électrolyseurs PEM directement intégrés aux éoliennes flottantes dans le golfe du Maine.

Turbines éoliennes flottantes : Déverrouillage du potentiel en eau profonde

Les éoliennes à fond fixe sont limitées à des profondeurs d'eau d'environ 60 mètres, ce qui limite les zones disponibles pour les parcs éoliens offshore. Les éoliennes flottantes surmontent cette limitation en utilisant des systèmes d'amarrage et des plates-formes flottantes qui permettent l'installation à des profondeurs supérieures à 200 mètres.

La synergie entre le vent flottant et l'électrolyse est particulièrement forte. Les unités d'électrolyse peuvent être placées directement sur la plate-forme flottante, éliminant ainsi la nécessité de câbles sous-marins coûteux pour transporter l'électricité vers la rive. La plate-forme produit de l'hydrogène localement, qui est ensuite comprimé et stocké sur la plate-forme ou transporté par pipeline. Cette configuration --Wind-to-hydrogen -- - réduit les pertes de transmission électrique et évite la congestion sur les réseaux terrestres.

Les principales innovations dans le domaine du vent flottant sont les plates-formes semi-submersibles, les bouées à éparpillement et les plates-formes à jambe de tension. Chaque conception a des compromis en termes de stabilité, de coût et de facilité d'entretien.

Systèmes énergétiques intégrés : hybrides éoliens, solaires et de stockage

Les installations d'hydrogène offshore dépendent donc de systèmes énergétiques intégrés[ qui combinent le stockage du vent, du solaire et de l'énergie pour adoucir l'approvisionnement. Par exemple, des panneaux photovoltaïques flottants peuvent être installés sur des plates-formes de secours ou sur des flotteurs séparés pour capter la lumière du soleil pendant les périodes à faible vent.

Les systèmes de gestion de l'énergie (SME) utilisant l'intelligence artificielle prédisent les modèles météorologiques, règlent les charges des électrolyseurs et gèrent les rejets de stockage en temps réel.Ces systèmes optimisent le coût de l'hydrogène (LCOH) en équilibrage des dépenses en capital, des cycles d'entretien et des réductions d'énergie. Certaines conceptions intègrent également des unités de dessalement de l'eau de mer[ alimentées par l'énergie renouvelable excédentaire, produisant de l'eau douce pour l'électrolyse et pour les opérations de plate-forme.

Des entreprises comme Lhyfe (France) et Neptune Energy (Pays-Bas) exploitent déjà des plateformes pilotes offshore d'hydrogène qui démontrent cette approche intégrée. Leurs projets combinent éoliennes, réseaux solaires, stockage d'énergie sous-marine et électrolyse embarquée pour produire de l'hydrogène 24 heures sur 24, avec l'énergie excédentaire stockée en hydrogène comprimé pour une utilisation ultérieure.

Stockage, compression et transport de l'hydrogène extracôtier

La production d'hydrogène au large des côtes n'est que la moitié du défi; le gaz doit être stocké en toute sécurité et transporté efficacement aux utilisateurs finaux.

Stockage et compression sur plate-forme

Sur les plates-formes offshore, des compresseurs avancés conçus pour le service de l'hydrogène sont déployés, à l'aide de roulements magnétiques, de joints hermétiques et de matériaux résistant à la fragilisation de l'hydrogène. Les réservoirs de stockage sont souvent constitués de récipients à pression composites suremballés (COPV) ou de réservoirs en acier spécialement doublés pouvant résister au milieu marin corrosif. Certaines conceptions utilisent un stockage souterrain de cavernes[ dans les dômes de sel des fonds marins, lorsqu'ils sont disponibles, comme option à faible coût pour les grands volumes.

Pour la liquéfaction, des installations cryogéniques à petite échelle peuvent être installées sur des plates-formes, refroidissant l'hydrogène à -253 °C. Bien que l'hydrogène liquide à forte intensité énergétique simplifie la navigation et double la densité de stockage.

Pipelines vs. Shipping

Les pipelines sont idéaux pour de courtes distances (jusqu'à quelques centaines de kilomètres) et des débits continus élevés. De nouveaux matériaux de pipeline, comme l'acier à faible teneur en carbone et les revêtements résistant à la corrosion, sont testés pour le service de l'hydrogène. Le mélange de l'hydrogène dans les gazoducs de gaz naturel existants est également exploré comme mesure transitoire, bien que les limites de concentration (généralement de 10 à 20 %) doivent être gérées pour éviter toute fragilisation.

Pour les distances plus longues ou les endroits éloignés, la navigation à l'hydrogène offre de la flexibilité.Les navires peuvent transporter de l'hydrogène sous forme de gaz comprimé, de liquide ou d'ammoniac (un transporteur à l'hydrogène).L'ammoniac est plus facile à stocker et à transporter à des pressions modérées et peut être fissuré dans l'hydrogène à destination.

Avantages économiques et environnementaux

L'adoption de technologies émergentes dans la production d'hydrogène en mer procure de multiples avantages qui améliorent l'analyse de rentabilisation et réduisent l'empreinte carbone.

Réduction des coûts opérationnels

Une étude de l'Agence internationale des énergies renouvelables (IRENA) prévoit que le coût de l'hydrogène (LCOH) [ normalisé provenant du vent en mer pourrait tomber à moins de 2 $ par kilogramme d'ici 2030, ce qui le rendrait compétitif avec l'hydrogène gris provenant du gaz naturel.

Efficacité énergétique accrue

En co-loquant l'électrolyse avec la production renouvelable, on élimine les pertes de transmission électrique, ce qui augmente l'efficacité globale du système de moins de 80 % (pour l'électrolyse terrestre avec le vent relié au réseau) à plus de 85 % pour la production directe en mer.

Durabilité accrue dans les milieux marins ravagés

Les composants certifiés offshore sont conçus pour résister aux vaporisateurs de sel, aux vents violents, aux charges d'onde et à la biosoudure. Les progrès récents dans le domaine des matériaux comprennent des électrodes à base de titane, des revêtements résistant à la corrosion et des joints qui empêchent l'entrée d'air chargé de sel.

Échelle pour la production à grande échelle

Une plateforme typique pourrait commencer par un électrolyseur de 10 à 20 MW couplé à une seule turbine flottante de 10 à 15 MW. À mesure que la demande augmente, d'autres plates-formes peuvent être regroupées pour former des pôles d'hydrogène capables de produire des centaines de tonnes par jour. Cette évolutivité est cruciale pour desservir des grappes industrielles comme le corridor H2 dans le golfe du Mexique ou le réseau d'exportation d'hydrogène de la mer du Nord.

Défis et considérations

Malgré une forte dynamique, plusieurs obstacles techniques et économiques subsistent avant que l'hydrogène offshore puisse être déployé à l'échelle du térawatt.

  • Les conditions environnementales difficiles:[ La corrosion du sel, la fatigue des vagues et le givrage dans les climats froids exigent des normes de conception spécialisées et une inspection régulière.
  • Frais d'investissement initiaux élevés :[ Les éoliennes flottantes et les infrastructures dédiées à l'hydrogène demeurent coûteuses; le financement dépend des politiques de soutien et des accords d'achat d'électricité à long terme.
  • Approvisionnement en eau et purification:[ L'eau de mer doit être dessalée et polie pour répondre aux spécifications de qualité de l'eau des électrolyseurs, en ajoutant énergie et coût.
  • Sécurité de manipulation de l'hydrogène:[ L'hydrogène est une large gamme d'inflammabilité et une petite taille moléculaire nécessitent des systèmes robustes de détection des fuites, de ventilation et de décompression.
  • Interconnexion avec les réseaux terrestres:[ Certains projets peuvent encore avoir besoin de câbles électriques pour la puissance de secours ou l'exportation pendant la faible demande d'hydrogène, de plus en plus complexe.

Les recherches en cours financées par la Commission européenne, le département américain de l'énergie et des consortiums privés s'attaquent à ces défis. Par exemple, le projet H2Ocean teste une plateforme de production d'hydrogène en mer entièrement autonome avec des capacités de surveillance à distance et d'auto-guérison.

Projets en cours et perspectives d'avenir

Plusieurs projets novateurs illustrent les progrès rapides de la technologie de l'hydrogène offshore.

  • PosHYdon (Pays-Bas):[ Le premier pilote d'hydrogène offshore au monde, lancé en 2023 sur une plateforme de production en mer du Nord néerlandaise. Il intègre un électrolyte PEM de 1 MW avec des infrastructures éoliennes et gazières existantes.
  • H2H Saltend (UK):[ Un plan de regroupement pour construire une série de plates-formes flottantes vent-hydrogène dans l'estuaire de Humber, visant à produire 300 tonnes d'hydrogène vert par jour d'ici 2030.
  • Hyport Oostende (Belgique):[ Une usine d'électrolyse de 100 MW construite sur une zone régénérée au port d'Ostende, reliée à des parcs éoliens offshore, avec des plans d'expansion à 1 GW.

Selon l'Agence internationale de l'énergie (AIE)[, l'hydrogène offshore pourrait répondre jusqu'à 10 % de la demande mondiale d'hydrogène d'ici 2050, avec une capacité installée supérieure à 100 GW. À mesure que les coûts du vent flottant diminuent et que l'efficacité de l'électrolyse s'améliore, il est prévu que davantage de régions, y compris le Japon, la Corée et la côte ouest américaine, adopteront ce modèle.

Conclusion

Les installations de production d'hydrogène offshore représentent une convergence de l'ingénierie de pointe dans les systèmes éoliens, d'électrolyse et marins.En déployant des turbines flottantes, des électrolysers avancés et un stockage intégré de l'énergie, ces usines peuvent fournir de l'hydrogène vert durable à grande échelle sans concurrence pour les ressources terrestres.

Pour plus de détails, voir IRENA's report on offshore hydrogen production et IEA's analyse of hydrogen from offshore resources. Des études de cas du projet PosHYdon fournissent également des indications techniques précieuses.