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Energy Lab

Thématique : Gas Le Power-to-Gas (P2G), un outil de flexibilité pour accompagner la transformation du système énergétique Janvier 2015

0 Executive Summary section

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Executive summary

Dans un contexte de transition énergétique, les marchés de l’électricité et du gaz sont en pleine mutation. Le développement massif des énergies renouvelables pour atteindre des objectifs ambitieux soulève de nombreuses interrogations notamment sur la gestion de l’intermittence de la production électrique, la gestion des pointes de consommation et la problématique du stockage de l’électricité. Plusieurs solutions sont aujourd’hui à l’étude pour y répondre. Le Power-to-Gas (P2G) est l’une d’entre elles. Ce procédé permet en effet de transformer les surplus de production d’électricité en gaz, et ainsi de créer des passerelles entre les réseaux électriques et gaziers afin d’équilibrer la production et la demande d’électricité.

Depuis quelques années, de nombreux acteurs s’activent pour démontrer la faisabilité technique et économique du Power-toGas (P2G), et l’intérêt de ce procédé pour soutenir l’intégration des énergies renouvelables dans le mix énergétique. La filière Power-to-Gas fait donc intervenir une palette d’acteurs variée et dont les expertises sont complémentaires. D’abord des énergéticiens, des PME spécialisées et des organismes de recherche pour développer le dispositif P2G. A ces acteurs, viennent ensuite s’ajouter les entreprises spécialisées dans les énergies renouvelables ou dans des domaines d’activité consommateurs d’hydrogène et de gaz. Les projets démonstrateurs et projets de R&D sont soutenus financièrement par les agences nationales et européennes. Enfin, les associations, plateformes et institutions politiques contribuent à construire un cadre réglementaire et économique favorable au développement de la filière.

Dans ce contexte, près de 40 projets ont vu le jour en Europe avec un leadership marqué de l’Allemagne sur le sujet. La technologie se développe par étape et les projets « Power-to-Gas » sont aujourd’hui à différents stades de développement. Il peut s’agir en effet, d’études de faisabilité, de projets de R&D ou de projets démonstrateurs/pilotes.

Si le Power-to-Gas a de sérieux arguments pour accompagner la transition énergétique, l’engouement de la sphère politique, scientifique et industrielle devra se concrétiser par la mise en place d’une vraie stratégie industrielle afin de réduire les coûts et optimiser les modes de valorisation du procédé (services « réseau » et valorisation des produits). Ces progrès technicoéconomiques ne seront bénéfiques que s’ils sont accompagnés d’une évolution du cadre législatif et d’un soutien fort des autorités publiques.

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1 Contexte et enjeux du Power-to-Gas section

 Les challenges générés par la transformation du système énergétique

 Le Power-to-Gas s’insère dans une palette de solutions pour y répondre  Un procédé intégré de la production d’énergie jusqu’aux usages des co-produits  Les technologies mises en œuvre

1 1 Eléments de contexte et enjeux du Power-to-Gas

2

La transition énergétique entamée depuis plusieurs années avec le développement massif des énergies renouvelables intermittentes génère de nouveaux besoins de flexibilité  Plusieurs ressources sont à disposition du système électrique parmi lesquelles le stockage de l’électricité.  A terme, les besoins de stockage seront nécessaires à la fois sur de courtes et de longues durées.  Le Power-to-Gas pourrait contribuer aux services de réglage des réseaux électriques et permettre de stocker d’importants

surplus sur de longues durées.

Une filière au carrefour de plusieurs métiers (filière électricité, filière gaz, transports, industrie …)  Un nouveau pilier du développement des réseaux énergétiques intelligents.  Un catalyseur de la mobilité durable et réciproquement.  Un maillon d’une filière hydrogène en plein essor.

Plusieurs technologies sont en jeux et même parfois en concurrence  Trois technologies sont aujourd’hui disponibles pour réaliser l’électrolyse de l’eau au cœur du procédé. Celles-ci

présentent chacune des avantages et inconvénients et ne sont pas toutes au même niveau de maturité.  La seconde étape du procédé qui consiste à transformer l’hydrogène en méthane de synthèse peut être réalisée par deux

technologies : la méthanation catalytique et la méthanation biologique.  Le CO2 nécessaire pour la réaction de méthanation peut provenir de sites de méthanisation ou de fumées industrielles.

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1 11

Eléments de contexte et enjeux du Power-to-Gas La transformation du système énergétique génère de nouveaux défis

Le système électrique a besoin de flexibilité

Plusieurs ressources sont à sa disposition

Facteur de charge éolien mensuel moyen de 2010 à 2014

La gestion de l’intermittence de la production d’énergie renouvelable…

Des solutions de stockage pour différer la production aux périodes de forte demande

40% 30% 20% 10% 0% 2011

A

2012

2013

2014

B

Source : RTE, panorama des EnR S1 2014

… accompagnée de l’évolution des usages et de la variabilité de la demande …

… génèrent de l’instabilité sur les réseaux d’électricité et la saturation de lignes électriques

Objectif : 7 millions de points de recharge électriques en 2030*

50Hz 50,1Hz

Production

La transformation du système énergétique

49,9Hz

Consommation

La Maîtrise de la Demande de l’Énergie (MDE) avec un pilotage intelligent et décentralisé pour gérer le système de manière réactive

Des investissements dans les réseaux et interconnexions (imports / exports)

+ 47 % de la capacité d’interconnexions entre 2010 et 2030**

L’intégration massive des énergies renouvelables et l’évolution des usages contraignent la gestion des réseaux d’électricité et génèrent un besoin grandissant en solutions de stockage de courtes et de longues durées. *Source : projet de loi pour la Transition Energétique

**Source : RTE (15 GW en 2010 et 22 GW anticipés en 2030)

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1 11

Eléments de contexte et enjeux du Power-to-Gas A

Les challenges générés par la transformation du système énergétique européen

La part d’énergies renouvelables dans la consommation énergétique connaît une croissance exponentielle depuis près de 8 ans en Europe 25 000

Eolien (MW)

Solaire PV (MW)

Des conséquences sur la gestion du système électrique

Des déséquilibres de plus en plus fréquents entre l’offre et la demande

20 000 15 000 10 000

De grandes quantités de surplus de production sur des périodes pouvant atteindre plusieurs jours

5 000 0

Source : RTE

Des dispositifs de soutien ont permis une percée de la part de l’éolien et du solaire dans les mix électriques européens Mix électrique européen en 2013 Energies carbonnées

23%

Nucléaire

50% 27%

Mix électrique européen « Energy roadmap 2050 »

Energies renouvelables

33%

40%

27%

De l’instabilité et de la saturation des réseaux électriques qui se doivent d’être plus flexibles

L’apparition de prix négatifs de l’électricité

Energies carbonnées Nucléaire Energies renouvelables

Une plus grande imprévisibilité de la production et de la consommation d’électricité

Source : Eurostat

L’évolution du mix électrique implique une modification de la structure, de la planification et de l’exploitation du système électrique accompagné d’un développement de nouveaux outils de flexibilité.

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1 11

Eléments de contexte et enjeux du Power-to-Gas B

Le Power-to-Gas est une solution parmi d’autres pour relever les défis de la transition énergétique

Le stockage de l’électricité pour différer la production aux périodes de forte demande Power-to-Gas

Saison

Injection de méthane de synthèse dans le réseau de Gaz

Mois Hydrogène (Sites isolés, PAC, mobilité H2… ) STEP : Station de Stockage pompage d’air comprimé

Jour

Injection d’hydrogène dans le réseau de Gaz

Heure Minute Seconde

Batteries Supercondensateurs, Volants d’inertie

1 kWh

10 kWh

1 MWh

100 MWh 1 GWh <10 GWh Capacité énergétique Source : consolidation Sia Partners 2014

Des avantages de la solution Power-to-Gas

Un moyen de verdir le contenu des réseaux de gaz et des usages

Une capacité de stockage considérable dans une infrastructure existante, en partie amortie et couvrant l’ensemble du territoire

Permet de profiter des avantages du réseau gaz (coût et rendement du transport etc.)

La complémentarité des outils de flexibilité Dans chaque pays, la répartition des outils de flexibilité sera différente en fonction :  du mix énergétique,  de la situation géographique,  de la robustesse du système électrique.

Seule solution de stockage de longue durée

Il sera néanmoins nécessaire de combiner les différentes solutions à disposition pour assurer la sécurité, l’équilibrage et la stabilité du système :  Le renforcement des réseaux électriques,  Le développement des solutions de stockage,  La maîtrise de l’énergie et les systèmes intelligents (smart energy).

Une solution pour réduire la dépendance énergétique en produisant du gaz localement

En complément des autres solutions de flexibilité, le Power-to-Gas apporte une solution pour la gestion des surplus de production de grandes quantités et sur de longues durées.

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11 Eléments de contexte et enjeux du Power-to-Gas Le Power-to-Gas est une solution à la croisée des chemins de différentes filières en pleine évolution

La filière hydrogène

Les énergies renouvelables

Véhicule H2

 La production et le stockage

d’hydrogène sont au cœur du procédé P2G.  Le développement de la filière

H2 impacte donc le développement du P2G.

1

 Les installations P2G peuvent

Hydraulique

Piles à combustibles

Énergies marines

Eolien Stations service H2 Gaz verts

Electrolyseurs

Biomasse

intégrer une installation de production électrique renouvelable.  Le gaz produit est aussi

considéré comme gaz renouvelable.

Solaire

Stockage Le P2G

 Le P2G permet de faire la

passerelle entre réseaux électriques, gaziers et de chaleur.  Il se situe ainsi au cœur de

l’évolution vers un système énergétique intelligent.

Smart cities Smart home Intégration des EnR

Passerelles réseaux élec et gaz Réseaux dynamiques

Les réseaux intelligents

H2 ou SNG

Air comprimé STEP

Batteries

Thermique

 Le P2G est en concurrence avec

d’autres solutions de stockage de l’électricité.  Il présente l’avantage de pouvoir

stocker l’électricité en grande quantité et sur de longues durées.

Le stockage de l’électricité Source : Sia Partners

Toutes ces filières connaissent aujourd’hui une forte dynamique de croissance (projets de R&D, démonstrateurs) et vont largement contribuer à l’émergence du Power-to-Gas. CONFIDENTIAL © Sia Partners – Charlotte de Lorgeril, Noël Courtemanche

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11 Eléments de contexte et enjeux du Power-to-Gas Synoptique du Power-to-Gas : de la production de l’électricité aux usages du gaz 2 Les applications P2G Réseaux d’électricité

e-

1

e-

Le procédé P2G Stockage d’H2

Solaire

Éolien Nucléaire

Production d’électricité

H2

Electrolyse

(CCCG, cogénération)

Transport H2 Méthanation CH4

CO2

Industries

Réseaux de chaleur

CH4 Réseaux de gaz

1 Le procédé : le Power-to-Gas consiste à produire de l’hydrogène par électrolyse en utilisant de l’électricité souvent

d’origine renouvelable. L’objectif est de produire en période de faible demande et de surplus de production pour profiter d’un prix faible de l’électricité et rendre service au réseau électrique en réduisant le déséquilibre offre/demande.

2 Les applications : l’hydrogène ainsi produit peut être injecté dans les réseaux de distribution et de transport de gaz.

L’injection directe d’hydrogène est tolérée dans des proportions limitées (en dessous de 6% en France) mais celui-ci peut également être transformé en méthane de synthèse par un procédé chimique appelé méthanation (ou réaction de Sabatier. Il peut en outre être utilisé directement dans l’industrie ou comme carburant pour de la mobilité verte.

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11 Eléments de contexte et enjeux du Power-to-Gas Les 3 principales technologies d’électrolyse Alcaline (KOH)

Description

Il s’agit de la technologie d’électrolyse la plus utilisée aujourd’hui.

PEM : Proton Exchange Membrane (Polymère)

SOE : Solid Oxide Electrolyse (Haute température)

Ces électrolyseurs sont construits à partir d’électrolyte polymère conductrice de protons. La technologie polymère est également utilisée pour les piles à combustible.

Technologie produisant du Syngas (H2 + CO) à partir d’électricité, d’eau et de CO2 à des températures entre 700 et 1 000°C.

 La

Avantages

Inconvénients

 Maturité.  Faible coûts (relatifs).  Durée de vie : 90 000 h.

   

Flexibilité (temps de réponse au démarrage et arrêt).

Modularité et compacité.

Possibilité de fonctionner sous pression (>50 bars).

Rendements : aujourd’hui de l’ordre de 70% et devraient atteindre 90% en 2020.

Cette technologie est souvent présentée comme n’ayant pas la flexibilité requise pour le stockage d’énergie intermittente (taux de réponse trop lent, de l’ordre de la minute et incapable de démarrer à froid rapidement). Mais ceci n’était pas requis par l’industrie jusqu’à présent et les développement dans ce sens sont en cours.

 Durée de vie incertaine : de l’ordre de 20 000 h et

Commerciale

Pré-commerciale

devrait atteindre 60 000 h en 2020. polymère et électrodes poreuses onéreuses.  Les coûts d’investissement sont plus importants que la technologie alcaline mais devraient atteindre un niveau comparable voire plus faible à l’avenir.  Membrane

haute température permet d’atteindre de meilleurs rendements (approchant les 100%), si l’on ne prend pas en compte l’énergie nécessaire pour chauffer le système (de 50 à 90% sinon).  Cette technologie peut être couplée à un procédé de méthanation pour produire du méthane synthétique et optimiser le rendement global en réutilisant la chaleur issue de la méthanation pour l’électrolyse.

 Faible

maturité : non disponible à industrielle.  Dégradation des performances plus rapide.

l’échelle

Exemples d’acteurs Maturité

R&D

Décomposition de l’eau en hydrogène et dioxygène par application d’un courant électrique : 2 H2O + électricité = 2 H2 + O2 Source : Analyse Sia Partners d’après DNV KEMA , Systems Analyses Power-to-Gas, Technology Review

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11 Eléments de contexte et enjeux du Power-to-Gas Les 2 principales technologies de méthanation Méthanation chimique

Méthanation biologique

Captage de CO2

 Technologie mature et déjà disponible sur le marché,

 Alternative à la méthanation chimique, cette réaction

Il est nécessaire de disposer de CO2 pour alimenter la réaction de méthanation.

elle est largement utilisée dans l’industrie.  Elle utilise généralement du Nickel comme catalyseur

(moins onéreux que d’autres métaux précieux).

Description

permet de convertir l’hydrogène et le CO2 en méthane à partir de bactéries et archaea (microorganismes) à faible température (entre 20 et 60 °C).

Le temps de réponse est meilleur que celui de la méthanation chimique.

 Il existe des procédés de méthanation chimique à

basse et haute température (respectivement de 200 à 550 °C et de 550 à 750°C).

 Challenges : développer des systèmes à l’échelle du

MW. Le retour d’expérience pour cette technologie est encore faible.

 Ce CO2 peut être capté sur un site émetteur de

fumée et ainsi recyclé pour produire le méthane de synthèse.  Généralement, le captage est réalisé par absorption

chimique. Plusieurs absorbants peuvent être utilisés tels que les amines ou le méthanol.  Les sources de CO2 :  CO2 issu de fumées industrielles (industries

chimiques, chaudières, centrale à charbon).  CO2 issu d’un site de méthanisation.

Avantages et inconvénients

Les rendements énergétiques sont de l’ordre de 70 à 85%, le reste étant perdu sous forme de chaleur (celleci peut cependant être valorisée).

Temps de réponse, hauts rendements, ne nécessite pas de métaux précieux, moins onéreuse que la méthanation chimique.

Valorisation du CO2 pour une application énergétique.

Avantages et inconvénients

Le procédé est maîtrisé mais le retour d’expérience pour une application Power-to-Gas est encore limité.

Il est nécessaire de maintenir la température entre 20 et 60 °C en permanence (environ 5% de l’énergie totale nécessaire).

Les installations de méthanation devront être localisées à proximité d’une source de CO2.

Commerciale

Entre R&D et pré-commerciale

R&D

Exemples d’acteurs Maturité

Conversion catalytique de l’hydrogène et du dioxyde de carbone en méthane de synthèse : 4 H2 + CO2 = CH4 + 2 H2O Source : Analyse Sia Partners d’après DNV KEMA, Systems Analyses Power-to-Gas, Technology Review

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2 Cartographie des acteurs de la filière P2G section  Les énergéticiens  Les équipementiers et spécialistes du P2G

 Les organismes de recherche  Les institutions publiques et associations  La sphère politique

2 2 Cartographie des acteurs de la filière Power-to-Gas

2

La filière P2G est relativement récente et commence tout juste à se structurer sous l’impulsion des énergéticiens  Les énergéticiens sont aujourd’hui de réels moteurs pour développer le marché.  De nombreuses PME se créent et se spécialisent sur les technologies P2G (électrolyse, méthanation, stockage

d’hydrogène).

La multiplication des projets et l’engouement des industriels ont éveillé l’intérêt de la sphère politique et des acteurs publics  Les décisions et orientations stratégiques qui seront prises par les politiques, les agences nationales et européennes vont

avoir un impact décisif sur l’avenir de la filière Power-to-Gas.  Les industriels sont prêts et dans l’attente d’un cadre national plus favorable.

Le succès du P2G en France et en Europe dépendra de la capacité des parties prenantes (publiques et privées) à mutualiser leurs moyens et expertises pour faire face à la concurrence d’autres régions du monde  Des initiatives sont déjà en cours (plateformes P2G dans certaines régions en Europe…).  Il y a de réels atouts en matière de recherche & développement et de nombreuses entreprises sont fortement impliquées

dans la filière hydrogène et sur des projets Power-to-Gas (Air Liquide, McPhy Energy, Aréva, GDF Suez, TOTAL…).

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2 2 Cartographie des acteurs de la filière Power-to-Gas Un mix d’acteurs publics et privés

Acteurs privés

Acteurs publics Les initiateurs de projet

Les organismes de recherche

Les institutions politiques

Les PME spécialisées

Les acteurs impliqués dans la filière Power-to-Gas Les partenaires industriels

Les banques et fonds d’investissement

Les associations et plateformes

Les agences nationales

La filière Power-to-Gas fait intervenir une palette d’acteurs variée et dont les expertises sont complémentaires pour développer le dispositif P2G, financer la R&D, valoriser les services rendus et le gaz produit ou pour faire évoluer le cadre législatif et économique.

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2 22

Cartographie des acteurs de la filière Power-to-Gas Les acteurs privés : initiateurs de projets, spécialistes et les partenaires industriels Les initiateurs de projet Description

Activités

Principalement des énergéticiens ou filiales de grands groupes.

 Pilotage de projet.  Recherche industrielle.  Expertise interne concernant :  les activités de production d’électricité

Rôle Initier et piloter des projets P2G.

d’origine renouvelable.  les problématiques liées aux réseaux de

gaz et d’électricité (injection, transport…).

Les spécialistes du P2G Description

Activités

Les spécialistes P2G sont principalement des PME et dans certains cas des filiales de groupes énergéticiens. Certaines PME se sont créées autour de technologies innovantes développées dans des laboratoires et instituts de recherche.

 Conception, production et commercialisation

de solutions de production ou de stockage d’hydrogène et de méthane de synthèse.  Connaissance des différentes technologies (électrolyse, méthanation, PAC…).

Rôle

Acteurs privés

Fournir les équipements.

Apporter une expertise et des moyens complémentaires.

Les partenaires industriels Description

Activités

Industriels intéressés par le stockage de l’électricité ou par les applications du P2G (EnR, électricité, gaz, transports, industrie).

 Connaissances sur la production d’électricité

Rôle Apporter une expertise et des moyens complémentaires.

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(solaire, éolien, …).  Connaissances sur les applications du Power-

to-Gas (transport, injection réseau, utilisation industrielle du gaz).  Experts sur le raccordement, l’injection et la gestion des réseaux.  Connaissances sur l’hydrogène et les biocarburants.  Experts sur l’évaluation des risques et de la sécurité.

Source : Analyse Sia Partners

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2 2 Cartographie des acteurs de la filière Power-to-Gas Focus sur les spécialistes du Power-to-Gas Spécialistes P2G

(microbenergy)

Pays

Méthanation

Electrolyse

Stockage





ETOGAS développe, fabrique et vend des systèmes de production de méthane et d’hydrogène à partir d’électricité (électrolyse alcaline).

L’entreprise propose des installations P2G « clé-en-main ».





Sunfire développe des électrolyseurs à haute température de 200 kW additionnables avec des rendements de 70%, et une technologie de méthanation (commercialisables en 2016).

Microbenergy Gmbh, filiale du groupe Viessmann développe une technologie de méthanation biologique.

 

Siemens développe depuis 2011 un électrolyseur PEM pour des futures installations P2G. SIEMENS développe également une offre d’automatismes et contrôle commande pour les installations P2G.





CETH2, AREVA et l’ADEME ont annoncé en mai 2014, la création commune de la coentreprise Areva H2-Gen destinée à fabriquer des électrolyseurs PEM pour différentes applications (mobilité hydrogène, stockage d’électricité, alimentation de sites isolés).





McPhy possède une solide expérience dans la production, l’installation et la maintenance d’électrolyseurs alcalins et de stockages solides d’hydrogène. La PME française a racheté l’équipementier Italien PIEL et l’activité HyTec d’Enertrag AG en 2013.



Ceramhyd propose toute une gamme d’électrolyseurs PEM et a développé une membrane spécifique qui permet d’atteindre des rendements de 75%.



Solvicore, filiale de Solvay et Umicore produit des cellules PEM pour électrolyseurs.

Electrochaea développe une technologie P2G de méthanation biologique à partir de micro-organismes qui présente potentiellement des caractéristiques plus intéressantes que la méthanation classique.



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Commentaire



Hydrogenics produit des électrolyseurs alcalins et PEM, ainsi que des installations « clé en main » pour l’industrie, le transport ou le stockage de l’électricité.



H2 Nitidor offre une gamme d’électrolyseurs alcalins et des systèmes intégrés pour alimentation secours de sites télécoms isolés. Le département R&D travaille sur des solutions P2G.



ITM Power développe des électrolyseurs PEM.

Source : Analyse Sia Partners

17

2 22

Cartographie des acteurs de la filière Power-to-Gas Les acteurs publics : associations, organismes de recherche, agences publiques et institutions politiques Les organismes de recherche Rôle

Activités

Participer au développement technologies P2G.

des

 Organisation d’ateliers autour du P2G.  Définition des priorités de R&D.  Contribution au développement de la stratégie nationale

de recherche.  Expertise technique et théorique sur les technologies.  Labélisation de projets pour obtenir des financements et

de la visibilité (pôles de compétitivité).

Les institutions politiques Rôle Définir les grands axes stratégiques de développement et faire des choix en matière de soutien de nouvelles filières industrielles.

Activités  Définition d’un cadre stratégique et réglementaire pour

soutenir le développement de la filière.  Mise en place de dispositifs incitatifs.  Financement de projets (FCH-JU, Investissements

d’avenir, crédits d’impôts).

Acteurs publics

Les associations et plateformes Rôle

Activités

Contribuer à créer des synergies et échanges au sein de la filière P2G.

   

 ATEE : association technique énergie

et environnement.  AFHYPAC : association française

pour l’hydrogène et piles à combustible.  Plateformes P2G (méditerranée, mer du nord, Allemagne).

   

Promotion des technologies H2 et PAC. Animation de la filière industrielle.

Représentation auprès des pouvoirs publics.

Communication aux médias, grand public, enseignement.

Propositions d’évolutions réglementaires.

Soutien technique et accompagnement des projets.

Organisation de débats sur le stockage, l’hydrogène et le P2G. Réalisation d’études.

Les agences nationales Rôle

Activités

Apporter une expertise , du conseil et des financements aux porteurs de projets .

 Participation à la mise en œuvre des politiques publiques.  Aide au financement de projets et de la recherche.  Lancement d’appels d’offres, et définition de la stratégie

nationale en matière de recherche et de soutien financier.  Définition de feuilles de route sur le stockage, l’hydrogène et le Power-to-Gas.

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Source : Analyse Sia Partners

18

3 Cartographie des projets P2G européens section

 Les études

 Les projets de R&D  Les pilotes et démonstrateurs  Fiches projets

3 3 Les projets Power-to-Gas en Europe

3

Une quarantaine de projets pilotes en Europe pour trouver les leviers de la rentabilité du P2G  Les REX vont permettre de construire des modèles d’affaire et orienter les activités de R&D pour optimiser la rentabilité

du procédé.  La croissance des PME poussée par le nombre de projets pilotes en cours, illustre l’intérêt grandissant pour le sujet et l’augmentation des investissements associés.

L’Allemagne est très active et en avance sur le sujet mais la France a aussi des atouts  Les principaux acteurs allemands ont déjà lancé de nouveaux projets après la réussite des premiers démonstrateurs.  Des PME et entreprises françaises sont bien positionnées sur le secteur et notamment sur les projets allemands

(GDF Suez, McPhy, Air Liquide, TOTAL).

Les projets sont soutenus par des acteurs publics et privés  Le coût des projets pilotes varie entre 5 et 30 M€ (moyenne autour de 18 M€).  Les investissements sont importants de la part des énergéticiens et largement soutenus par les organisations publiques

nationales et européennes (FEDER, FCH-JU, ADEME, ANR, Régions).

2014 et 2015, un tournant pour le Power-to-Gas  Les projets phares ont été inaugurés en 2013 (Audi, E.ON, ENERTRAG….) et de nouveaux projets de grande envergure ont

démarré ou sont prévus pour 2014 et 2015 (INGRID, GRHYD, E.ON/Hambourg, Energy Valley…)  Le renouvellement des programmes de financement européens et nationaux pour la période 2014-2020 et la prise de

conscience de l’importance du stockage vont favoriser les échanges autour du développement de la filière P2G dans les années à venir.

Les différentes parties prenantes doivent profiter de la dynamique actuelle et poursuivre le développement de projets pilotes pour renforcer la position de la France en matière d’innovation et structurer une filière industrielle solide.

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3 3 Les projets Power-to-Gas en Europe Des projets de plusieurs natures : études, projets de R&D et démonstrateurs Il existe différents types d’installations Power-to-Gas en fonction de l’objectif visé : Power-To-Hydrogen, Power-To-Methan ou Power-to-Gas-ToPower. Les investissements, les rendements et les acteurs peuvent être très différents d’un projet à l’autre en fonction de la dimension du projet, des technologies concernées et des applications visées. Il est donc difficile de comparer tous les projets P2G entre eux.

Nous avons étudié une quarantaine de projets Power-to-Gas en Europe que nous avons classifiés par : Pilote

1 Pays, type de projet et niveau de maturité

Allemagne

France

Italie

Pays-Bas

Belgique Danemark Royaume-Uni Europe

2

Source d’électricité renouvelable

3

Solaire Eolien

   

Applications

programmé

R&D

Développement des technologies utilisées dans le P2G

En cours

Etudes

Études technico-économique ou études de faisabilité du P2G

En opération ou terminé

Certaines installations P2G sont installées à proximité de champs photovoltaïques et/ou de fermes éoliennes existantes.

D’autres projets incluent la construction de panneaux solaires et éoliennes dédiés au projet.

D’autres projets n’incluent pas la production d’électricité et sont raccordés directement au réseau électrique.

Le P2G peut aussi être utilisé à partir d’énergie nucléaire, ce qui peut permettre d’éviter de diminuer la puissance des centrales chaque nuit et ainsi de les utiliser en continu à pleine puissance.

Méthanation

Electrolyse

Stockage

 Méthanation chimique  Méthanation biologique

 Alcaline : technologie mature, coût modéré, efficacité entre 60 et

 Sous forme gazeuse dans des

85%.  PEM (membrane à échange de proton) : moins mature, coût plus élevé, meilleurs rendements et meilleurs résistance aux variations de courant (éolien, solaire).  Haute température : électrolyte solide. >700°C, contraintes d’installation et durée de vie moins bonne, mais moins consommateur d’électricité.

réservoirs métalliques à haute pression.  Sous forme solide via des hydrures.

Technologies

4

Construction et opération d’installation grandeur réelle pour préparer l’industrialisation du P2G

Application transport

Application industrielle

 Alimenter des stations hydrogène

   

pour véhicules équipés de PAC  Alimenter des stations de rechargement de véhicules électriques  Alimenter des stations de GNV

Industrie chimique Industrie métallurgique Industrie agro-alimentaire …

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Injection réseau Deux possibilités  Injection d’hydrogène en quantité limitée (entre 0 et 20% selon les cas)  Injection illimitée de méthane de synthèse

Production d’électricité Utilisation stationnaire pour :  Les particuliers et logements collectifs  Secours de l’alimentation de sites isolés  Source d’appoint pour le réseau électrique en période de pointe Source : Analyse Sia Partners

21

3 3 Les projets Power-to-Gas en Europe Des projets de plusieurs natures : études, projets de R&D et démonstrateurs Projet HYDROSOL-3D Projet Naturalhy Projet H2TRUST Projet CEOPS Projet H2OCEAN

Projet Ameland

Projet Electrochaea

Projet H2 Flanders region, South NLD

Projet Lolland - H2 Community

Projet ECN – DNV Kema

Projet Energie Park Mainz

Projet Energy Valley

Projet E.ON Hambourg Projet Falkenhagen

Projet Don Quichotte

Projet GridGas

Projet RH2-WKA

Projet GRHYD

Centrale hybride de Prenzlau

Projet GRTgaz

Projet Audi e-gas

Projet ElectroHgena

Projet RWE - CERAMHYD Projet H2 Herten

Projet JANUS

Projet CO2RRECT

Projet Plateforme MYRTE

Projet Thüga

Projet DEMETER

Projet ZSW/IWES Stuttgart

Projet HYDROMEL

Projet Microbenergy

Projet Cyrano-1

Légende : Projet MINERVE Projet Sotavento

R&D

Programmé

Etudes

En cours

Projet ARTIPHYCTION

Pilote

En opération ou terminé

Projet INGRID

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Source : Analyse Sia Partners

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3 3 Les projets Power-to-Gas en Europe Les projets pilotes (1/2)

Projet MYRTE

110 kW

2011 21 M€

Projet Don Quichotte

2010 - 2017 5 M€

Projet Electrochaea

2014

1 MW

Projet Lolland

104 kW

2009 - 2012

Projet GDF Suez GRHYD

2013 15,3 M€ Projet Ameland

2007- 2011 Projet GRTgaz

1 MW

2015 Projet Hydrogène Flanders – South NLD

1 MW

2009 - 2012 14,1 M€

Projet INGRID

1,2 MW

2014 24 M€

Projet Energy Valley

12 MW

2014

L’enjeu des projets pilotes est de contribuer à l’amélioration du rendement du procédé, de tester l’injection d’hydrogène dans le réseau gazier et de construire des business models afin de permettre rapidement l’utilisation économique à l’échelle industrielle de la technologie Power-to-Gas. Nota : la liste des partenaires des projets n’est pas toujours exhaustive

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Source : Analyse Sia Partners

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3 3 Les projets Power-to-Gas en Europe Les projets pilotes (2/2)

Projet E.ON - Falkenhagen

2 MW

2013 – 5 M€

Centrale ENERTRAG – Prenzlau

500 kW

2012 - 21M€

Projet E.ON - Hambourg

1 MW

2014 – 13,5 M€

Projet Thuga

360 kW

2013

Projet RWE – CERAM HYD

100 kW

Projet CO2RRECT

100 kW

2012 18 M€

2013

Projet Audi « e-gas »

6,3 MW

2013 entre 20 et 30 M€

Projet Energiepark Mainz

Projet RH2 – WKA

2013

1 MW

9,72 M€*

6 MW

2014 ~17 M€

*pour la partie Hydrogène uniquement. Le projet est doté de 220 M€ pour la construction d’une ferme éolienne de grande envergure

L’enjeu des projets pilotes est de contribuer à l’amélioration du rendement du procédé, de tester l’injection d’hydrogène dans le réseau gazier et de construire des business models afin de permettre rapidement l’utilisation économique à l’échelle industrielle de la technologie Power-to-Gas. Nota : la liste des partenaires des projets n’est pas toujours exhaustive

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Source : Analyse Sia Partners

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3 3 Les projets Power-to-Gas en Europe Les projets de R&D

Projet CEOPS (2013-2016) Recherche scientifique sur le stockage des énergies renouvelables par hydrogénation du CO2 pour synthétiser du méthane et sur la transformation de méthane en méthanol 3,5 M€ (dont 2,6 de l’UE)

Projet MINERVE (2012-2016)

Projet qui vise à développer une technologie de réacteurs électrochimiques de coélectrolyse à haute température et de méthanation Budget non publié

Projet H2OCEAN (2012-2014) Projet de R&D d’une plateforme marine ayant pour but de produire de l’hydrogène à partir d’énergies renouvelables.

6 M€ (dont 4,5 de l’UE)

Projet ARTIPHYCTION (2010 – 2013) Projet de R&D d’une technologie de production d’hydrogène à partir d’électricité d’origine solaire 4M€ (dont 2 M€ du FCH-JU)

Les projets de R&D servent à mettre au point et optimiser les technologies utilisées dans le procédé Power-to-Gas : technologies de stockage, de méthanation ou d’électrolyse.

Nota : la liste des partenaires des projets n’est pas toujours exhaustive

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Source : Analyse Sia Partners

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3 3 Les projets Power-to-Gas en Europe Les études Power-to-Gas

Projet DEMETER (2011-2014) Etude de la faisabilité technique et économique d'une boucle de stockage/déstockage d'électricité renouvelable sur méthane de synthèse au moyen d'un électrolyseur à haute température réversible (dossier de spécifications d’une unité de démonstration du concept).

Projet GridGas (2012-2013) Etude de faisabilité visant à identifier les modalités technologiques, financières et opérationnelles liées à l’injection d’hydrogène dans le réseau de gaz britannique.

~200 k€ (164 k£)

Projet ECN – DNV KEMA Etude conduite par ECN sur le rôle du Power-to-Gas dans le système énergétique néerlandais.

Projet HYDROSOL-3D (2010-2013) Préparer la commercialisation (pré-design et design) d’un dispositif d’une puissance de 1 MW, de production d’hydrogène à partir d’énergie solaire.

1,7 M€ (dont 1 M€ du FCH-JU)

Aide de l’ANR : 766 k€

Projet HYDROMEL (2006-2009) Projet d’étude d’évaluation des risques pour le transport d'HYDROgène énergie pur ou en MELange avec le gaz naturel.

Aide de l’ANR : 1 M€

Projet Naturalhy (2002-2006) Projet d’étude visant à préparer l’économie de l’hydrogène en identifiant et supprimant les potentielles barrières au développement de l’hydrogène comme vecteur d’énergie via l’injection dans le réseau de gaz.

17,3 M€ (dont 11 de la CE) 36 partenaires dont :

Projet CYRANO-1 (2009-2011) Analyse technico-économique, réglementaire et sécuritaire d'un réseau intégré «Eolienélectrolyseur-gazoduc sous pression hydrogènePAC ».

Aide de l'ANR : 270 k€

Projet H2TRUST (2013-2014) Projet ayant pour objectif d’étudier les barrières non-techniques pour le développement d’une économie de l’hydrogène (sécurité, régulation, connaissances des dangers, préparation aux incidents, réponses aux inquiétudes du grand public)

1,2 M€

Les études ont pour objectif principal d’étudier la faisabilité technique et/ou économique du Power-to-Gas et les risques qui peuvent être associés à l’injection d’hydrogène dans le réseau de gaz naturel. Des entreprises et instituts de recherche mutualisent leurs expertises pour réaliser les modèles et scénarios.

Nota : la liste des partenaires des projets n’est pas toujours exhaustive

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Source : Analyse Sia Partners

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4 Synthèse, constats et tendances section

 Réglementation

 Environnement  Sécurité  Acceptabilité

4 4 Synthèse, constats et tendances Contexte politique réglementaire : toutes les conditions ne sont pas encore réunies mais la dynamique est lancée

I

Aujourd’hui, il y a un fort engouement de la part des politiques, du monde scientifique et économique sur les sujets connexes (stockage, filière hydrogène, EnR) et de nombreuses réflexions sont en cours autour du Power-to-Gas Quelques illustrations d’actualité

Les projets de loi sur la transition énergétique

L’étude de l’OPECST* (Sénat et Assemblée Nationale)

Voté par l’Assemblée Nationale en 2014

Rapport final publié fin 2013

 L’article

30 (quater) traite spécifiquement du Power-to-Gas. Il fait mention de l’élaboration d’un plan de développement du stockage des énergies renouvelables par hydrogène décarboné.

 Le projet de loi aura un impact sur le

développement du P2G (évolution des mécanismes de soutien, création du mécanisme de capacité, meilleure intégration du stockage…).

Objectif du rapport parlementaire :  Evaluer le rôle que pourrait jouer

l’hydrogène en tant que vecteur d’énergie complémentaire à l’électricité pour aider d’une part, à accélérer le développement des énergies renouvelables et, d’autre part, à s’affranchir à terme des énergies fossiles.  Identifier les obstacles législatifs et réglementaires au développement de la filière « hydrogène énergie ».

La Commission Innovation (Elysée)

Etude ADEME/GrDF/ GRTgaz

Rapport remis mioctobre 2013  Commission

présidée par Anne Lauvergeon visant à présenter des priorités et ambitions pour l’innovation en France. Le stockage de l’énergie est la première des sept priorités présentées dans le rapport.

Nouvelle France Industrielle - 34 Plans d’Avenir Comité de Pilotage 2014 – Arnaud Montebourg  Le plan “autonomie et puissance des

Octobre 2014 Power-to-Gas, une solution d’avenir pour stocker l’électricité d’origine renouvelable ?  Etude

basée sur les scénarios énergétique pour 2030 et 2050 de l’ADEME et GrDF.

 État

des lieux international des avancées et perspectives du « Power to Gas ».

 L’étude considère que le P2G devrait

être pleinement opérationnel en France à l’horizon 2030.

Note de du Commissariat Général à la Stratégie Août 2014  Note du Commissariat Général à la

Stratégie et à la Prospective : Y a-t-il une place pour l’hydrogène dans la transition énergétique?  Cette note dresse un bilan du

développement de la filière hydrogène et propose des orientations pour la France.  Cette note a suscité de nombreuses

réactions de la part de la filière Hydrogène Française qui la juge « partisane et incomplète ».

batteries” intègre le développement du vecteur énergétique hydrogène



II

Malgré tout, le cadre réglementaire n’est pas encore construit et doit l’être rapidement si l’on espère un développement de la filière

III

En attendant, la filière se repose sur les réglementations des filières connexes (hydrogène industriel, énergies renouvelables)

A l’approche de la conférence de Paris sur le Climat, les signaux politiques et réglementaires tardent à se préciser pour accompagner le développement de la filière. Néanmoins, la prise de conscience de l’importance du stockage et de la solution Power-to-Gas est grandissante à l’image des deux études initiées par le Sénat et l’Elysée. *OPCEST : Office parlementaire d'évaluation des choix scientifiques et technologiques

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4 4 Synthèse, constats et tendances Pistes pour l’avenir de la filière

De nombreux efforts sont encore nécessaires pour transformer en succès la volonté des acteurs de la filière et l’expérience acquise ces dernières années sur les projets Power-to-Gas. D’importants progrès technologiques sont attendus et devront être accompagnés d’une évolution favorable de la réglementation, d’une stratégie de développement partagée et d’un effort de sensibilisation afin d’atteindre la viabilité du procédé.

Stratégie : Fédérer les acteurs autour d’une réelle feuille de route pour l’industrialisation du P2G (institutions de recherche et industriels).

Rapprocher les acteurs du système électrique et ceux du système gazier pour développer la complémentarité des deux énergies.

Législation : Fixer des tarifs de rachat du « e-gas », et fixer des tarifs spécifiques d’accès au réseau électrique pour les dispositifs P2G. Valoriser les installations P2G dans les mécanismes de soutien aux réseaux électriques (mécanisme de capacité, services systèmes…).

Technologies : Améliorer le rendement des dispositifs et réduire les coûts des technologies pour rendre le dispositif économiquement intéressant.

Poursuivre les projets de démonstration et les démarches de pré-industrialisation du procédé.

Accélérer le développement des technologies moins matures mais prometteuses (électrolyse à haute température, méthanation biologique).

Financement :

Faire évoluer la réglementation liée à la production, au stockage et à la distribution de d’hydrogène.

Soutenir la R&D et l’offre industrielle notamment via le financement de PME (ANR, FUI, ADEME, Bpifrance).

Harmoniser des règles européennes en matière d’injection d’hydrogène dans les réseaux.

Soutenir les projets de démonstration et de préindustrialisation.

Business Model : Construire un modèle économique viable en cumulant des sources de valorisation à l’amont et à l’aval du procédé : les services rendus et la vente des coproduits (H2, O2, chaleur, CO2 capté).

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Communication : Sensibiliser les parties prenantes et le grand public pour faire évoluer la perception de l’hydrogène et du P2G et s’assurer de son acceptabilité future.

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5 Sia Partners en résumé section

5 Sia Partners, en résumé Cabinet majeur du conseil en management et stratégie opérationnelle Notre offre, en s'appuyant sur une connaissance fine des enjeux métiers de nos clients, nous permet de situer nos interventions au cœur de l'actualité. En effet, en tant qu'acteur du changement, nous souhaitons faire bouger les lignes. Nous intervenons essentiellement pour de grands groupes européens et mondiaux. En France, notre portefeuille de clients est presque exclusivement constitué de 50% du CAC40 et des grandes entreprises publiques.

15 ans de dynamisme et de croissance | Paris | Lyon | New York | Toronto |Bruxelles | London | Rome | Milan | Amsterdam | | Hong Kong | Singapore | Casablanca | Dubaï | Abu Dhabi | Riyad |

520 consultants, 80 M€ & 15 bureaux Riyad, Londres, Singapour Acquisition d’Investance

Toronto London

Sia Partners devient le leader des cabinets de conseil indépendants en France

Paris, Lyon, Bruxelles, Amsterdam, Milan, Rome, Casablanca, Dubaï, New York Acquisition d’OTC America

Bruxelles Paris (HQ)

Amsterdam

Milan Lyon

Acquisition d’AxelBoss

Rome

Casablanca New York

Acquisition d’EDS Consulting (ex AT Kearney Interactive)

Dubaï & Abu Dhabi

Hong Kong

Riyadh Singapore

Internationalisation

Création 1999

2005

Une approche sectorielle…

• • • • • • • •

Transport & Logistique Industrie & Retail Énergies & Environnement Services Financiers Télécoms & Médias Secteur Public Procurement Actuariat

CONFIDENTIAL © Sia Partners

2008

2012 2014

2010

… de la stratégie aux opérations • • • • • • • •

Stratégie opérationnelle Etude économique et prospective Organisation et processus Ressources Humaines Transformation / PMO People & Change management Contrôle interne / Audit interne Stratégie IT

Sia Partners est indépendant vis-à-vis des sociétés informatiques et des cabinets d’audit financier.

Notre culture est fortement orientée vers l’expertise et les résultats.

Depuis 2005, l’internationalisation est réalisée sur un mode totalement intégré.

31

5 Sia Partners, en résumé Focus sur la practice Energies et Environnement

Présentation générale Chiffres clés • 200 consultants spécialisés Energie • 30 M€ de chiffre d’affaires en 2014 Domaines d’intervention – secteur / filière / thématique • Gaz, pétrole, électricité, charbon, GNL • Energies renouvelables, eau, déchets, biogaz/biométhane, GNV/bioGNV, hydrogène • Stockage, Power-to-Gas • Ecologie industrielle • Dérégulation et mécanismes du marché • Maîtrise de la demande d’énergie • Marketing & Gestion de clientèle • Smart Energy (smart meter, grid, energy box) • Numérique, BIG DATA, collaboratif, stratégie IT Ils nous font confiance (liste non exhaustive)

Des activités de recherche et de publication internes Nous animons un centre de veille interne pour anticiper les tendances économiques, règlementaires et technologiques du secteur.

Energy Lab, le laboratoire by Sia Partners Anticiper, innover, créer, contribuer à l’énergie de demain

Magazines

Blogs • Publications quotidiennes • Disponibles en français, anglais, italien

• « Magazine du Club Énergie », publication annuelle • « Insight », publication ponctuelle

Des partenaires historiques Formations d’une journée

Etudes statisticoéconomiques

• • • • •

• Le marché de la biomasse • CEE • Autopartage, convoiturage • Motorisation alternative • Eco-mobilité

Le marché des déchets L’industrie du nucléaire Le marché du gaz Le marché du pétrole Motorisation alternative

Créé en 2012 avec GRTgaz, Gas In Focus a pour ambition de mettre en lumière la place du gaz naturel dans la transition énergétique

Un éclairage dans les médias, une contribution aux débats de place Plus de 300 passages presse par an (presses quotidienne et spécialisée)

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Clubs de réflexion Sia Partners est membre actif de plusieurs clubs de réflexion pour anticiper et trouver des solutions aux questions de société

32

Internationalisation

5 Sia Partners, en résumé Sia Partners accompagne ses clients dans l’évolution du secteur de l’énergie depuis 13 ans

2001 Première mission dans le secteur de l’énergie: pour RTE nouvelles règles d’interconnexion avec la Belgique et l’Italie

2005 Première filiale pour Sia Partners en Belgique et première mission à l’étranger avec EDF

Une offre qui s’enrichit

1999

2003 ERDF: mise en place du mécanisme de reconstitution des flux

2007 European Market Coupling project (CWE): Sia Partners en charge de la PMO du projet

2009 SPE & EDF Belgium: Sia Partners évalue les synergies suite à la fusion des deux entités

2010 EDF Edison: Réorganisation de l’activité court terme gas & power en Italie

2010 Gasunie GTS: évaluation du projet de SCADA du transporteur de gaz des Pays-Bas

2005

2012 GDF SUEZ Italia: Audit de l’activité Gas contracts Portfolio Management

2010

2013 Effaceur (USA): Sia Partners étudie la potentielle expansion en Europe

2013 National Grid SA: définition des règles du marché pour une libéralisation progressive en Arabie Saoudite

2013

2014

Management consulting Conformité réglementaire et mise en place des mécanismes de marché Stratégie opérationnelle

2007 ERDF: Sia Partners en charge du pilotage du projet de déploiement des Smart Meters (Linky)

2009 TOTAL: Sia Partners aide TIGF dans sa préparation aux contraintes liées à la 3ème Directive Européenne

2010 E.ON: Sia Partners définit la stratégie de développement dans le domaine de la biomasse en France

2011 EDF: Sia Partners étudie l’impact de la loi NOME et assure le pilotage du projet interne

2012 CDC Infra: Sia Partners réalise une étude sur la marché du stockage en Europe et sur les drivers de valorisation d’un site

2012 Sia Partners participe à la réflexion sur le Market design du futur Marché de Capacités

2014 GRTgaz : contributions aux réflexions sur les nouveaux usages du gaz grâce à notre expertise sur le biométhane, le GNV et le P2G

Liste non-exhaustive de nos interventions client

CONFIDENTIAL © Sia Partners

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5 Sia Partners, en résumé Pour plus d’informations

Matthieu COURTECUISSE Président Directeur Général matthieu.courtecuisse@sia-partners.com Assistante : +33 1 80 05 83 02 @MCourtecuisse

Charlotte de LORGERIL Senior Manager Energies et Environnement charlotte.delorgeril@sia-partners.com Mob. : +33 6 24 73 18 34 @cdelorgeril

CONFIDENTIAL © Sia Partners

Le Blog Energies et Environnement de Sia Partners http://energie.sia-partners.com/ @SiaPartners @SiaEnergie

Noël COURTEMANCHE Consultant noel.courtemanche@sia-partners.com Mob. : +33 6 63 95 09 83 @NoelCourtemanch

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