Thermistances NTC
Soutenir la transition vers l'abandon des combustibles fossiles grâce à la puissance des composants électroniques
Accélérer la construction d'infrastructures telles que les piles à combustible et les équipements d'électrolyse pour soutenir l'utilisation de l'énergie hydrogène
Parallèlement à l'utilisation des énergies renouvelables, l'utilisation de l'hydrogène joue un rôle important (Fig. 1).
Les occasions pour les consommateurs de découvrir l'utilisation de l'hydrogène se limitent à l'observation occasionnelle d'un véhicule ou d'un autobus à pile à combustible. Néanmoins, l'hydrogène est devenu un élément indispensable des efforts de décarbonisation de l'industrie en tant que source d'énergie à haut rendement ou source de chaleur pour les turbines, les moteurs, les chaudières, etc. Dans le domaine de la mobilité, les efforts de décarbonisation se sont concentrés sur l'adoption de véhicules électriques (VE) comme voitures particulières, mais l'utilisation de l'hydrogène joue un rôle clé dans les études sur l'avenir des grands véhicules commerciaux tels que les bus ou les camions qui doivent rouler sur de longues distances, les machines agricoles, les équipements de construction, les avions (y compris les drones) et les navires.
C'est pourquoi une série de politiques et de projets visant à élargir les scénarios d'utilisation de l'hydrogène sont en cours dans de nombreux pays et régions du monde.
L'amélioration de la sophistication des systèmes électriques et électroniques chargés d'étendre, de gérer et de contrôler l'utilisation de l'hydrogène est essentielle.
D'une manière générale, l'énergie de l'hydrogène devrait être utilisée de deux manières.
La première est l'utilisation directe de l'énergie thermique obtenue en brûlant de l'hydrogène. Le développement de technologies permettant d'utiliser l'hydrogène comme combustible pour alimenter des turbines, des moteurs, des chaudières, etc. de manière sûre et efficace est déjà en cours. Cette première approche convient aux applications nécessitant une puissance relativement importante.
La seconde est l'utilisation de piles à combustible pour convertir l'énergie chimique de l'hydrogène en énergie électrique. La réaction chimique impliquée est l'inverse de celle qui sous-tend l'électrolyse de l'eau, que l'on connaît par les démonstrations faites dans les cours de sciences à l'école. L'hydrogène et l'oxygène de l'atmosphère sont convertis en eau et en électricité.
Cette approche convient généralement aux applications qui utilisent une puissance relativement faible. Les limites pratiques sont telles que la production d'une seule pile à combustible peut être utilisée comme source d'énergie pour un véhicule tel qu'un autobus. En outre, lorsque l'hydrogène est converti en énergie électrique pour être utilisé, il est plus facile de contrôler la production que lorsque l'hydrogène est brûlé, de sorte que la deuxième approche est également utilisée pour les applications nécessitant un contrôle précis de l'entraînement.
Afin d'utiliser l'hydrogène de manière efficace, efficiente et stable, et de permettre son adoption dans une large gamme de scénarios d'utilisation, les systèmes électriques et électroniques qui gèrent et contrôlent l'utilisation appropriée de l'hydrogène doivent interagir les uns avec les autres. Par exemple, les équipements impliqués dans la production, le stockage, la distribution et l'utilisation de l'hydrogène comportent des composants tels que des alimentations stabilisées, des convertisseurs de puissance, des capteurs et des circuits de suppression des bruits. En outre, ces technologies doivent devenir plus sophistiquées à mesure que l'utilisation de l'hydrogène se développe.
Les énergies renouvelables et l'hydrogène sont complémentaires
L'hydrogène utilisé comme source d'énergie est divisé en trois types en fonction de la manière dont il est produit (Fig. 2), bien que la composition chimique des différents types soit la même. Chacun contribue à la décarbonisation à un degré différent.
*Cette page est en japonais.
Les matières premières pour la production d'hydrogène gris sont des combustibles fossiles tels que le charbon et le gaz naturel. L'hydrogène peut également être obtenu comme sous-produit du raffinage du pétrole ou de la production de coke dans une aciérie. Il peut également être produit par reformage au moyen d'un traitement chimique ou thermique. Les piles à combustible domestiques (systèmes ENE-FARM), qui utilisent de l'hydrogène gris produit à partir du gaz de ville, en sont un exemple familier. Cependant, comme la production d'hydrogène gris génère du CO2, on ne peut pas dire qu'elle contribue directement à la décarbonisation. En revanche, l'hydrogène bleu est fabriqué de manière à ce que le CO2 généré lors de sa production ne soit pas rejeté dans l'atmosphère. Les systèmes utilisés pour le produire comprennent des mécanismes de récupération, de stockage et d'utilisation du CO2 généré. Cela permet de réduire les émissions de CO2, mais la récupération, le stockage et l'utilisation du CO2 entraînent des coûts correspondants.
En revanche, l'hydrogène vert est produit à partir de l'eau par électrolyse, en utilisant des énergies renouvelables telles que la lumière du soleil ou l'énergie éolienne comme source d'électricité. Avec l'hydrogène vert, les émissions de CO2 peuvent être réduites à zéro. En outre, comme les méthodes de production d'énergie telles que l'énergie solaire sont des moyens instables de produire de l'électricité, elles conviennent aux applications qui nécessitent le stockage de l'énergie excédentaire en vue d'une utilisation ultérieure en cas de besoin. Les systèmes de stockage d'énergie (SSE) de grande capacité utilisant des batteries sont également utilisés pour de telles applications, mais l'hydrogène vert est considéré comme adapté à une utilisation en tant qu'alimentation électrique d'urgence pour les cas nécessitant une grande capacité de stockage, les usines, les centres de données, etc.
On peut dire que les énergies renouvelables et l'hydrogène sont complémentaires. Dans ce contexte, les gouvernements de nombreux pays et régions mettent en place des politiques et des projets visant à promouvoir l'utilisation de l'hydrogène vert. Par exemple, la Commission européenne et l'Alliance européenne pour l'hydrogène propre, un groupe d'entreprises liées à l'hydrogène au sein de l'UE, ont annoncé le 5 mai 2022 un plan visant à multiplier par 10 la capacité de production d'hydrogène vert des entreprises d'électrolyse d'ici à 2025.
Comment l'industrie électronique peut-elle contribuer à l'utilisation de l'hydrogène ?
La technologie électrique et électronique peut contribuer à stimuler l'utilisation de l'hydrogène de nombreuses manières.
Tout d'abord, pour augmenter l'efficacité de la production d'hydrogène vert, il est nécessaire d'utiliser des blocs d'alimentation à courant continu en raison de leur efficacité énergétique élevée. Seul un faible niveau de puissance, 1,23 V ou plus, est nécessaire pour réaliser l'électrolyse de l'eau. Toutefois, pour produire de l'hydrogène vert en grandes quantités en utilisant l'énergie provenant d'installations d'énergie renouvelable à haut rendement telles que les projets d'énergie Mega Solar, il est nécessaire de disposer d'alimentations en courant continu capables de fournir un courant continu à haute tension et à fort ampérage de manière constante, sans pulsations, à un grand nombre d'électrodes d'électrolyse connectées en série et en parallèle.
Cette technologie a été développée en utilisant comme base la technologie d'alimentation en courant continu existante dans les domaines de la fabrication et de l'industrie, y compris le traitement de surface tel que le placage des métaux et la production de produits chimiques tels que la soude caustique. La plupart des installations de production d'hydrogène utilisent actuellement des alimentations en courant continu à des tensions allant de plusieurs volts à plusieurs centaines de volts et à des ampérages allant de 10 ampères à plusieurs milliers d'ampères.
L'échelle de ces installations varie, mais elle va d'une faible capacité pour les stations d'hydrogène compactes sur site à une grande capacité pour les usines de production d'hydrogène de niveau mégawatt. La demande d'alimentations en courant continu augmente à différents niveaux de capacité. Parmi ces systèmes, beaucoup de systèmes de grande capacité se connectent au réseau électrique à courant alternatif, ce qui nécessite des mesures pour minimiser les effets des harmoniques sur les lignes électriques. En outre, pour générer plus efficacement de l'énergie CC stabilisée, des configurations de circuits de puissance incorporant des dispositifs semi-conducteurs de puissance à haute performance tels que des IGBT ou des MOSFET à base de SiC sont envisagées.
En outre, une fois que l'hydrogène est converti en énergie électrique par une pile à combustible, il faut, pour l'utiliser, un convertisseur de puissance pour le transformer en courant continu ou alternatif, pour l'adapter à l'usage qui en sera fait et pour l'alimenter de manière stable. En outre, des systèmes de gestion et de contrôle sont nécessaires pour surveiller la série de processus allant de la production d'énergie par la pile à combustible à sa consommation par les moteurs, etc., et pour assurer le contrôle de la sécurité afin de prévenir les problèmes tels que les fuites d'hydrogène gazeux, les courts-circuits ou l'emballement thermique. Cela nécessite un grand nombre de capteurs pour détecter le gaz, la pression, le débit, etc.
Réduire la taille des équipements utilisant l'hydrogène pour en faire une source d'énergie plus familière
L'utilisation de l'hydrogène a commencé par des applications nécessitant un rendement relativement élevé, et son adoption se répand maintenant. Néanmoins, une fois que la technologie sera parvenue à maturité pour produire de l'hydrogène vert, rendre les piles à combustible plus efficaces et réduire les coûts, nous pouvons nous attendre à une réduction de la taille des systèmes d'utilisation, et il deviendra possible d'utiliser l'hydrogène comme source d'énergie pour des dispositifs nécessitant un rendement plus faible.
D'une manière générale, si l'hydrogène est produit en grandes quantités dans des centrales électriques situées en dehors des grandes villes et qu'il est ensuite transporté jusqu'à l'endroit où il sera consommé, une grande quantité d'énergie est perdue au cours du processus de transport. En effet, il est nécessaire de comprimer l'hydrogène gazeux produit, puis de le réfrigérer pour le rendre liquide. Il existe d'autres méthodes d'expédition qui impliquent la conversion de l'hydrogène en produits chimiques plus faciles à transporter, mais ces applications consomment également une quantité d'énergie proportionnelle. Pour ces raisons, permettre la production locale pour la consommation locale d'hydrogène lorsque c'est possible est une meilleure façon d'augmenter l'efficacité de l'utilisation.
Des stations d'hydrogène, semblables à des stations-service classiques, ont déjà été installées ici et là, et des efforts sont déployés pour concrétiser le concept de production locale d'hydrogène et sa fourniture en tant que carburant pour divers types d'applications de mobilité. Un exemple de cette tentative est la commercialisation d'une pile à combustible portable qui peut être utilisée comme batterie mobile pour charger des appareils tels que les smartphones. Le développement et la mise en place décentralisée d'équipements compacts de production d'hydrogène basés sur la technologie des photocatalyseurs qui utilisent la lumière du soleil pour effectuer la photolyse de l'eau sont également envisagés.
L'hydrogène complète les énergies renouvelables en tant que source d'énergie indispensable pour atteindre la neutralité carbone. Toutefois, des mesures appropriées doivent être prises pour permettre aux consommateurs d'utiliser l'hydrogène gazeux en toute sécurité dans des environnements familiers. Pour qu'une utilisation sûre et hautement efficace devienne possible, des normes et une législation en matière de sécurité doivent être mises en place, tandis que l'utilisation de la technologie électrique et électronique, y compris les systèmes de gestion et de contrôle utilisant des capteurs de différents types, des alimentations en courant continu à haut rendement et des circuits de conversion de puissance, doit devenir plus sophistiquée. Par conséquent, les attentes sont grandes en ce qui concerne le développement et la proposition de nouvelles technologies par les entreprises actives dans le domaine de l'électronique.
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