Les énergies renouvelables comme le soleil et le vent produisent de l’électricité. Mais y a-t-il toujours du soleil ou du vent quand on en a besoin ? La réponse est non. Ces sources d’énergie sont intermittentes et incertaines. Pour réussir la transition énergétique, il devient donc indispensable de trouver des solutions pour stocker cette énergie.

Et si l’on pouvait stocker l’énergie sous forme de gaz et la restituer quand on en a besoin ? Oui, grâce à l’hydrogène, un gaz capable de stocker l’énergie et de la restituer plus tard. Encore faut-il choisir des systèmes de production adaptés, efficaces et économiquement viables.

Qu’est-ce que l’hydrogène produit à partir des énergies renouvelables ?

Le soleil et le vent permettent de produire une électricité à très faibles émissions de gaz à effet de serre. Cependant, ils ne produisent pas toujours de l’énergie au moment où l’on en a besoin. Il peut y avoir beaucoup de vent la nuit ou beaucoup de soleil en été, alors que le besoin en électricité est faible. À l’inverse, il peut arriver que la demande soit élevée alors que le soleil et le vent sont absents. Pour éviter de perdre cette énergie, il faut pouvoir la stocker afin de l’utiliser plus tard. C’est là qu’intervient l’hydrogène. Oui, l’électricité peut être stockée dans du gaz !

En effet, l'hydrogène est un gaz que l'on peut produire à partir de l'eau en utilisant de l'électricité. Grâce à un procédé appelé électrolyse, l'électricité permet de séparer l'eau en hydrogène et en oxygène, comme l'illustre la figure 1. L'eau arrive du côté de la cathode, où elle capte des électrons pour produire de l'hydrogène. Les ions oxygène O^2- traversent une membrane et se rendent à l'anode, où ils libèrent des électrons pour former  de l'oxygène. Les électrons circulent dans un circuit extérieur, transformant l'électricité en énergie chimique stockée dans l'hydrogène.

Figure 1: Principe de l’électrolyse de l’eau.

Une fois produit, l’hydrogène peut être stocké dans des réservoirs, puis utilisé plus tard pour fournir de l’énergie. Ce qui rend l’hydrogène particulièrement intéressant pour le stockage, c’est qu’il permet de stocker beaucoup d’énergie et de la conserver longtemps.

Pour donner un ordre de grandeur simple, un kilogramme d’hydrogène contient environ 30 kilowattheures d’énergie. Cela correspond à plusieurs jours d’électricité pour un foyer moyen, hors chauffage. Autrement dit, quelques dizaines de kilogrammes d’hydrogène peuvent suffire à alimenter plusieurs maisons pendant plusieurs jours. Cette capacité à stocker beaucoup d’énergie dans une masse relativement faible fait de l’hydrogène une solution prometteuse pour le stockage à grande échelle.

L’hydrogène agit ainsi comme une réserve d’énergie à long terme, capable de prendre le relais lorsque le soleil et le vent ne sont pas disponibles. Il complète les batteries, qui sont très efficaces pour les besoins immédiats, mais moins adaptées au stockage sur de longues durées.

Pourquoi le dimensionnement des systèmes hydrogène est une étape clé ?

Produire de l’hydrogène ne consiste pas simplement à installer une machine et à la faire fonctionner. En réalité, il faut d’abord répondre à une question essentielle : quelle taille donner aux installations ? Si elles sont trop petites, elles ne produiront pas assez d’hydrogène. Si elles sont trop grandes, elles coûteront cher et seront peut-être sous-utilisées.

En outre, une usine de production d’hydrogène, illustrée par la Figure 2, est composé de plusieurs éléments, comme l’électrolyseur, le système de compression ou encore les réservoirs de stockage. Parmi eux, l’électrolyseur joue un rôle central, car c’est lui qui consomme l’électricité et produit de l’hydrogène. Le choix de sa taille est donc décisif : il détermine à la fois la quantité d’électricité utilisée et la quantité d’hydrogène produite.

Figure 2: Exemple d'usine hydrogène couplée à des sources renouvelables.

La difficulté est renforcée par le fait que l’énergie fournie par le soleil et le vent varie sans cesse. Les systèmes doivent donc être capables de s’adapter à ces variations, tout en limitant leur usure et en restant économiquement viables. Le choix de la taille des équipements, appelé dimensionnement, devient alors une étape clé dans la conception des systèmes hydrogène.

C’est précisément là que la recherche intervient : en développant des méthodes et des outils permettant de mieux comprendre le fonctionnement de ces systèmes, elle aide à prendre des décisions éclairées avant leur mise en œuvre.

Le rôle de la recherche : prendre les bonnes décisions

Le travail de recherche consiste alors à tester virtuellement différentes tailles et différentes configurations des systèmes, avant de passer à la réalisation. Cela permet de comprendre quels choix sont les plus pertinents selon les conditions, et d’éviter des décisions basées uniquement sur l’intuition.

Grâce à des modèles et des simulations, il est possible d’explorer de nombreux scénarios sans construire physiquement les installations, ce qui permet de gagner du temps et de limiter les risques. Cette approche permet de mieux comprendre quels choix sont les plus pertinents selon les conditions : type de source renouvelable, variabilité du soleil ou du vent, objectifs de production ou contraintes économiques. Elle évite ainsi de prendre des décisions basées uniquement sur l’intuition ou sur des hypothèses trop simplifiées.

Un résultat important mis en évidence par la recherche est que produire le maximum d’hydrogène possible n’est pas toujours la meilleure stratégie. Augmenter la taille des équipements peut certes accroître la production, mais cela entraîne aussi des coûts plus élevés et des périodes de fonctionnement moins efficaces. Dans certains cas, un système légèrement plus petit, mais mieux adapté au profil de production renouvelable, peut s’avérer plus performant et plus économique.

En travaillant sur des méthodes de prédimensionnement, la recherche permet d’anticiper ces choix avant de construire, d’éviter certaines fausses bonnes idées et de mieux comprendre les compromis entre performance, coût et durabilité. Ces travaux contribuent ainsi à éclairer les décisions techniques et économiques, à un moment clé où l’hydrogène est appelé à jouer un rôle croissant dans les systèmes énergétiques de demain.

Article rédigé par Nouhaila BEN ABDELOUAHAB Docteure en génie électrique de Nantes Université, au sein de l’Institut de Recherche en Énergie Électrique Nantes Atlantique (IREENA), sous la direction de Salvy Bourguet, Jean-Christophe Olivier et Bruno Auvity. Les années de thèses sont cofinancées par une allocation doctorale de la Région Pays de la Loire à travers le réseau WEAMEC et l’entreprise Farwind.