Development with a bottom-up approach of methods and tools for designing lowcarbon hydrogen supply chains : application to France

Développement par approche ascendante de méthodes et d'outils de conception de chaînes logistiques "hydrogène décarboné" : application au cas de la France Ce travail fournit un aperçu complet de la modélisation et de l’optimisation du design de la chaîne d’approvisionnement en hydrogène (HSCD), en introduisant des méthodes de classification innovantes pour la catégoriser. En mettant l’accent sur le degré de centralisation de la chaîne d’approvisionnement, une nouvelle superstructure est présentée, qui est divisée en six échelons : sources d’énergie primaire, production centralisée, conditionnement et stockage centralisé, distribution, conditionnement et stockage décentralisé, et utilisateurs finaux. L’objectif est de développer une chaîne d’approvisionnement en hydrogène renouvelable et à faible teneur en carbone, en explorant les technologies intéressantes pour la production, le stockage et le transport de l’hydrogène. Après avoir évalué la disponibilité des sources d’énergie renouvelables pour la production d’hydrogène électrolytique en France, la demande d’hydrogène dans les secteurs de l’industrie et de la mobilité, qui devrait passer de 310 (en 2025) à plus de 2 650 ktonnes par jour (en 2050), est calculée. Après avoir donné un aperçu des approches et des modèles mathématiques pour l’optimisation des systèmes de distribution d’hydrogène, un nouveau modèle d’optimisation est développé. Le modèle vise à minimiser les coûts totaux du système (TSC) et le potentiel de réchauffement de la planète (GWP). Des études de cas réels démontrent la praticité et l’efficacité du modèle mathématique pour relever des défis complexes. Ces études de cas examinent des scénarios spécifiques dans différentes zones géographiques, visant à satisfaire la demande d’hydrogène tout en minimisant les coûts totaux du système (TSC) et le coût nivelé de l’hydrogène (LCOH). Les études montrent que les installations de production centralisées dotées d’usines de reformage du méthane à la vapeur et de systèmes de capture et de stockage du carbone sont plus émettrices mais moins coûteuses que des électrolyseurs de taille équivalente. L’hydrogène est transporté uniquement sous forme gazeuse à l’aide de remorques tubulaires. Le LCOH se situe entre 3,2 et 4,6 €/kg, avec des émissions directes comprises entre 0,65 et 1,6 kgCO2 kgH2 . Le travail comprend une analyse détaillée de la région Auvergne-Rhône-Alpes, mettant en évidence les variations des coûts et des émissions selon que l’on minimise le TSC ou le PRP. Des analyses de sensibilité sont menées pour évaluer les changements dans les DSC, les coûts et les émissions dans différents scénarios tels que le ralentissement de la pénétration de l’hydrogène, la réduction des coûts d’investissement pour les usines de production ou les infrastructures d’approvisionnement, et une forte augmentation des coûts de l’énergie. L’étude se termine par la présentation d’une "méthodologie ascendante" qui compare l’optimisation d’un système national à celle de plusieurs systèmes régionaux développés indépendamment les uns des autres. La solution nationale s’avère plus rentable (-5%) et plus respectueuse de l’environnement (- 24%) que les approches régionales. Une autre solution nationale, axée sur la minimisation du PRP, entraîne une réduction drastique des émissions (- 86,0%) mais une augmentation (37,0%) du LCOH par rapport à la première solution nationale.