Cet article aborde les défis du développement des technologies à hydrogène et la manière la plus durable d’aborder l’alimentation de secours au diesel.
L’alimentation de secours est essentielle pour des secteurs critiques comme les centres de données, la santé, les services publics, les télécommunications et la sécurité publique. L’utilisation traditionnelle de générateurs diesel pour l’alimentation de secours est de plus en plus remise en question, avec des interrogations sur la manière de la rendre plus écologique.
Une perspective prometteuse pour résoudre l’énigme de l’alimentation de secours durable est l’hydrogène. Avec tous les discours positifs autour des solutions à hydrogène, il est tentant de croire que la technologie hydrogène prête à l’emploi est imminente pour les applications critiques et que les générateurs diesel ne sont bientôt plus qu’un lointain souvenir. La vérité est plus complexe.
Générateur Diesel Kohler KD Series
Bien que les solutions hydrogène pour l’alimentation de secours soient la cible, plusieurs chemins y mènent et des obstacles se dressent sur la route. Il y a aussi la question de ce qu’il faut faire des solutions d’alimentation de secours basées sur le diesel pendant cette transition.
Progression grâce aux innovations de l’hydrogène
En tant que source de carburant, l’hydrogène est prometteur. Après tout, il est propre, abondant et contient beaucoup d’énergie. Son temps en tant que source d’énergie transformative est encore en cours de développement. À tous égards, les processus de production et d’application en sont encore à leurs débuts. Les générateurs diesel constituent un point de référence, car ils sont le choix éprouvé pour plusieurs raisons différentes :
- Conception compacte
- Chargement facile
- Durée de fonctionnement prolongée
- Stockage de carburant sur site
- Temps de démarrage rapide
Ces cinq éléments doivent être pris en compte lors de l’évaluation de la technologie d’alimentation de secours à hydrogène. Dans ce contexte, examinons les difficultés auxquelles l’hydrogène doit faire face en tant qu’option viable d’alimentation de secours et comment ces obstacles peuvent être surmontés de manière efficace dans les années à venir.
L’hydrogène pur n’existe pas naturellement et doit être extrait de divers composés et éléments (tout, de la méthane au charbon en passant par le gaz naturel et même le bois). La mauvaise nouvelle : parmi les nombreuses méthodes d’extraction de l’hydrogène, toutes sont difficiles et coûteuses. Pire encore, d’un point de vue durable, la nouvelle la plus préoccupante est que les meilleures méthodes de production disponibles pour extraire l’hydrogène dépendent principalement des combustibles fossiles.
Les types d’hydrogène sont nommés d’après des couleurs qui représentent les différentes méthodes utilisées pour extraire le carburant (et peuvent être classées selon leur empreinte carbone relative) afin de distinguer les méthodes. Pour être une option véritablement à faible émission de carbone, les solutions d’alimentation de secours devraient se concentrer sur l’hydrogène provenant de l’eau par électrolyse en utilisant une source renouvelable telle que l’énergie éolienne. Cette approche, appelée hydrogène vert, représente l’option à la plus faible empreinte carbone. Ainsi, pour minimiser vraiment leur empreinte carbone, les chercheurs et concepteurs d’alimentation de secours doivent non seulement progresser en matière d’efficacité (et de rentabilité) dans la manière dont l’hydrogène peut être produit et distribué, mais aussi se concentrer spécifiquement sur les méthodes d’extraction d’hydrogène vert—représentant une empreinte minimale de gaz à effet de serre (GES) tant pour les intrants que pour les extrants de l’utilisation du carburant hydrogène.
Pile à hydrogène Kohler
Une fois qu’une source de carburant hydrogène à faible émission de carbone a été mise en œuvre, la prochaine étape pour l’adoption de l’hydrogène est de déterminer quelle technologie convertira le carburant en électricité. Actuellement, la réponse la plus courante est un moteur à combustion, avec des solutions déjà disponibles et devenant de plus en plus communes chaque année. La raison : Les moteurs à combustion sont une technologie éprouvée et bien connue, donc l’introduction d’une nouvelle source de carburant meilleure se présente comme une étape logique avec un risque minimal. Cependant, il y a des compromis avec la conception du moteur à hydrogène, tels que des temps de démarrage prolongés et une faible tolérance à la charge. Ce ne sont pas là des compromis idéaux pour une solution d’alimentation de secours résiliente. À mesure que les moteurs à hydrogène continuent à se développer, des améliorations en matière de technologie efficace pourraient se manifester, mais pour l’instant, il vaut la peine d’explorer une option émergente.
Piles à hydrogène : Membrane Électrolytique Solide en Polymère vs. Oxide Solide
L’alternative est une pile à hydrogène (FC), qui génère de l’électricité par une réaction électrochimique au lieu de la combustion. D’un point de vue durable, les piles à hydrogène sont attractives car elles éliminent les émissions gazeuses, ne produisant que de la chaleur et de l’eau en sous-produits. Il existe deux principaux types de piles à hydrogène : Membrane Électrolytique Solide en Polymère (PEM) et Oxide Solide (SO). Il y a des différences distinctes quant à la performance de ces deux technologies de piles à hydrogène, ce qui déterminera la meilleure application.
Pour aider à établir la comparaison avec les générateurs, nous pouvons examiner les PEMFC et SOFC dans le contexte des générateurs de secours par rapport aux générateurs continus. Un générateur de secours présente un temps de démarrage plus rapide et peut accepter des variations de charge plus importantes, ce qui le rend idéal pour une application de secours en cas d’urgence. À l’inverse, un générateur continu est optimisé pour l’efficacité énergétique mais a un temps de démarrage lent et une limitation sur la charge qu’il peut accepter dans une variation de charge. Pour cette raison, les générations continues se trouvent généralement dans des applications de Cogénération, où elles fonctionnent plus de 8 000 heures par an. En revanche, les générateurs de secours fonctionnent généralement entre 10 et 50 heures par an.
En ce qui concerne les comparaisons de piles à hydrogène, la PEMFC fonctionne de manière similaire à un générateur diesel de secours. Il a un temps de démarrage beaucoup plus rapide que le SOFC (le temps de démarrage d’une pile PEM est généralement inférieur à une minute, contre plusieurs minutes à plusieurs heures pour un SOFC). Une PEMFC peut également réagir rapidement aux variations de charge, offrant une bonne réaction transitoire à de grands changements de charge. Donc, pour l’alimentation de secours, la technologie PEMFC peut offrir les performances d’un générateur de secours avec l’avantage supplémentaire de zéro émission et un avantage économique pour plusieurs centaines à quelques milliers d’heures d’exploitation chaque année.
L’inconvénient de la PEMFC est sa taille. Pour obtenir la même sortie de puissance, une solution PEMFC est beaucoup plus grande qu’un générateur traditionnel. Pour les sites qui sont déjà contraints en termes d’espace, une pile à hydrogène peut s’avérer un défi en tant que remplacement d’un générateur diesel. À mesure que la technologie des piles à hydrogène continue de se développer, il est raisonnable d’attendre que la taille diminue, et c’est la direction que la recherche sur l’hydrogène doit poursuivre pour servir le marché de l’alimentation de secours dans un avenir le plus vert possible.
Développements clés nécessaires
Donc, la voie à suivre est claire. Si l’hydrogène doit servir de solution majeure pour une alimentation de secours plus propre, il doit y avoir des développements significatifs dans plusieurs domaines clés :
- Infrastructure de production pour l’hydrogène vert par électrolyse de l’eau
- Production d’hydrogène vert utilisant de l’électricité provenant de ressources renouvelables
- Technologie de pile à hydrogène à membrane électrolytique solide plus petite et plus compacte
Même du point de vue le plus optimiste, ces développements sont encore éloignés. Cela laisse la quête d’une alimentation de secours durable dans une zone intermédiaire délicate. D’une part, nous devons investir du temps et de l’énergie dans de nouvelles avancées pour rendre les approches pionnières plus pratiques et abordables. D’autre part, nous devons aussi considérer comment nous pouvons améliorer les stratégies actuellement disponibles pour les rendre plus durables en attendant. L’industrie est actuellement dans une période de transition stagnante, et pour la pousser vers un espace productif actif, il est impératif de se concentrer sur l’amélioration des méthodes actuelles tout en innovant simultanément de nouvelles solutions. Pour relever ce défi de la période de transition, examinons trois façons dont les nouvelles approches des générateurs diesel pour l’alimentation de secours peuvent avoir un impact positif aujourd’hui.
Faire progresser la production d’hydrogène
Une méthode pour faire avancer la situation est à travers les systèmes de post-traitement des générateurs. En essence, le terme système de post-traitement désigne des équipements pouvant être appliqués au système d’échappement d’un générateur pour réduire les émissions de polluants. Les types de traitements postérieurs incluent les filtres de particules diesel (DPF), les unités de réduction catalytique sélective (SCR), ou les catalyseurs d’oxydation diesel (DOC), qui peuvent être utilisés seuls ou en combinaison. Ce type de technologie a considérablement amélioré son efficacité ces dernières années. Des études montrent que les systèmes de post-traitement appropriés peuvent réduire les émissions jusqu’à 94%.
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Une autre approche productive consiste à réduire la consommation de carburant et les émissions grâce à des programmes de maintenance plus durables pour les générateurs de secours. Un programme de test typique pour une application d’alimentation de secours consiste à faire fonctionner le générateur sous une charge d’au moins 30% pendant 30 à 60 minutes par mois. Cependant, les avancées des générateurs ont créé une meilleure méthode. Maintenant, avec le bon générateur, des tests peuvent être effectués sans aucune charge, pour un économie de carburant de 44% et une réduction des émissions de 40%. L’option de tester aussi peu qu’une fois tous les quatre mois est disponible, diminuant l’utilisation de carburant de 71 % et les émissions de 69 %—tout cela sans impact sur les performances.
Alors que l’hydrogène en tant que source de carburant mûrit pour provoquer un changement, d’autres alternatives de carburant sont plus prêtes pour le marché. Par exemple, l’huile végétale hydrogénée (HVO) représente une option de carburant de générateur durable compatible avec de nombreux générateurs existants déjà utilisés par des infrastructures telles que les centres de données, les usines de traitement des eaux et les hôpitaux. L’HVO, également connu sous le nom de diesel renouvelable, permet une réduction de 90 % des émissions de carbone lorsqu’il est utilisé comme substitut direct du diesel fossile. Dans la plupart des générateurs diesel, l’HVO est un remplacement un pour un, sans nécessiter de nouvelle technologie de générateur.
Un marathon et un sprint
La transition vers des solutions d’alimentation de secours durables est un voyage multifacette nécessitant une action immédiate et une innovation à long terme. Bien que la technologie hydrogène présente un avenir prometteur avec son potentiel pour une énergie propre et abondante, l’accent actuel doit également inclure l’amélioration des systèmes existants pour combler les lacunes.
À mesure que les technologies hydrogène continuent d’être développées et affinées, ces mesures transitoires aideront à garantir que les solutions d’alimentation de secours sont aussi vertes et efficaces que possible, ouvrant la voie à un avenir plus durable.
Toutes les images utilisées sont gracieusement fournies par Kohler