Modèle de l’offre d’hydrogène
Description du modèle
Les projections de l’offre d’hydrogène présentées dans AE 2023 sont élaborées à l’aide du module de l’offre d’hydrogène d’ENERGY 2020, un modèle hybride de l’économie énergétique qui simule la production d’hydrogène pour répondre à la demande intérieure et aux éventuelles exportations. Les principales technologies de production prises en compte dans le module sont l’électrolyse, la gazéification et le reformage.
Figure H.1 – Aperçu du modèle de l’offre d’hydrogène
Source et Description
Source : Régie de l’énergie du Canada
Description : Cette infographie illustre le modèle de l’offre d’hydrogène. Des coûts de production sont rattachés à chaque technologie, à savoir le coût en capital, le coût du combustible, le coût de la charge d’alimentation, le coût des émissions, les coûts d’exploitation et d’entretien, les coûts de transport et les coûts de distribution et de stockage. Le modèle détermine quelles technologies seront utilisées pour répondre à la demande d’hydrogène (consommation intérieure et exportations). Le choix de la technologie repose principalement sur les coûts de production, qui varient selon la province et qui sont influencés par divers facteurs, comme les prix des combustibles (p. ex., gaz naturel et électricité) et les coûts de séquestration du carbone liés aux technologies de captage, d’utilisation et de stockage du carbone. Le modèle calcule aussi la demande d’énergie et les émissions provenant de la production d’hydrogène, dont la consommation d’énergie associée à la combustion et à la charge d’alimentation, ainsi que les émissions qui sont séquestrées (par des technologies de captage et de stockage du carbone).
Aperçu du modèle pour l’offre d’hydrogène
Les projections de l’offre d’hydrogène du rapport AE 2023 reposent en grande partie sur la demande d’hydrogène. L’utilisation d’hydrogène est anticipée dans les secteurs intérieurs de consommation finale, comme les secteurs résidentiel, commercial, industriel et des transports, de même que dans le secteur de la production d’électricité. La demande d’hydrogène des secteurs de consommation finale est déterminée par le modèle de la demande d’énergie, et celle du secteur de la production d’électricité, par le modèle de l’offre d’électricité. Dans les deux modèles, l’adoption de l’hydrogène dépendra de nombreux facteurs, comme le prix de l’hydrogène et la disponibilité et les coûts des technologies (p. ex., les véhicules électriques à pile à combustible). L’hydrogène rivalise avec d’autres sources d’énergie comme l’électricité, la bioénergie et les combustibles fossiles pour satisfaire les besoins en énergie. Le commerce international ou national de l’hydrogène n’est pas modélisé dans le système de modélisation d’Avenir énergétique à l’heure actuelle, mais des hypothèses sur ces facteurs peuvent être incluses dans les scénarios. Lorsque ceux-ci comprennent des hypothèses sur l’hydrogène produit pour l’exportation, la demande d’hydrogène – et la quantité d’hydrogène nécessaire pour répondre à cette demande augmente.
Le modèle de l’offre d’hydrogène fixe des cibles de production d’hydrogène pour chaque province et territoire à partir d’autres intrants du système de modélisation d’Avenir énergétique. Le choix de la technologie de production repose en grande partie sur les coûts relatifs de la technologie. Les coûts sont fondés sur les caractéristiques particulières de chaque technologie de production, notamment les coûts en capital, la consommation de combustibles, la capacité, l’accès à la séquestration du carbone (s’il y a lieu) et les profils d’émissions. De plus, le modèle de l’offre d’hydrogène calcule la demande d’énergie et les émissions associées à la production d’hydrogène. Cela comprend l’énergie consommée par les procédés liés à la combustion et à la charge d’alimentation, ainsi que les émissions captées et séquestrées à l’aide des technologies de captage et de stockage du carbone.
Figure H.2 – Relation entre l’offre et la demande d’hydrogène
Source et Description
Source : Régie de l’énergie du Canada
Description : Ce schéma illustre la relation entre l’offre et la demande d’hydrogène. Les facteurs économiques influent sur l’offre et la demande. La demande d’hydrogène est calculée au moyen du modèle de la demande d’énergie. La demande canadienne et les éventuelles exportations incluses sont satisfaites dans le modèle de l’offre, qui prend en compte diverses technologies.
Technologies de production d’hydrogène
Chaque technologie de production d’hydrogène utilisée dans le modèle de l’offre d’hydrogène se voit attribuer un ensemble de caractéristiques (coûts de production, efficacité, durée de vie physique, consommation d’énergie, utilisation, rendement de la charge d’alimentationDéfinition*, pourcentage des émissions séquestréesDéfinition*, facteurs d’émissionDéfinition* et facteurs influençant les choix des consommateursDéfinition*) indiquant l’incidence des facteurs de prix et d’autres types de facteurs sur chaque technologie de production.
L’hydrogène peut être produit à partir de composés organiques comme la biomasse, le gaz naturel ou le charbon au moyen de divers procédés. Il est aussi possible d’en produire avec de l’eau au moyen de l’électrolyse. Les principales formes de production prises en compte dans le modèle sont l’électrolyse, le reformage et la gazéification.
Le reformage du méthane à la vapeur produit de l’hydrogène et du dioxyde de carbone (CO2) en faisant réagir à haute pression le gaz naturel (principale source de méthane) avec de la vapeur.
Comme les petits réacteurs modulaires, le procédé de reformage autothermique (« RAT ») utilise le gaz naturel comme principale source de méthane, mais n’a pas recours à la même source de chaleur. Il utilise plutôt l’air (oxygène), qui provoque l’oxydation pour produire la chaleur endogèneDéfinition* nécessaire au reformage à la vapeur (figure H.3).
Figure H.3 – Aperçu du procédé de reformage du méthane à la vapeur
Source et Description
Source : Régie de l’énergie du Canada
Description : Ce schéma illustre le procédé de reformage du méthane utilisé pour produire de l’hydrogène à partir de gaz naturel dont les émissions sont captées et séquestrées. Les petits réacteurs modulaires et les systèmes de RAT utilisent le gaz naturel pour produire de l’hydrogène, qui peut être utilisé ou stocké, ainsi que du CO2, qui peut être séquestré grâce à la technologie de captage du carbone.
Biomasse
Le procédé de gazéification de la biomasse requiert de la vapeur, de l’oxygène et de la chaleur pour convertir la biomasse en gaz de synthèseDéfinition*, qui est ensuite traité pour produire de l’hydrogène (figure H.4).
Figure H.4 – Aperçu du processus de gazéification de la biomasse
Source et Description
Source : Régie de l’énergie du Canada, gouvernement de la Colombie-Britannique
Description : Ce schéma illustre le procédé de gazéification de la biomasse qui sert à produire de l’hydrogène à partir de la biomasse. Les systèmes de gazéification utilisent la biomasse pour produire de l’hydrogène, qui peut être utilisé ou stocké, ainsi que du CO2, qui peut être séquestré grâce à la technologie de captage du carbone.
L’électrolyse utilise de l’électricité pour décomposer l’eau en hydrogène et en oxygène. Ce processus se déroule dans un appareil appelé électrolyseur. Selon la source d’électricité, l’hydrogène produit de cette façon dégage peu ou pas de CO2 (figure H.5).
Figure H.5 – Aperçu du processus d’électrolyse
Source et Description
Source : Régie de l’énergie du Canada et AER
Description : Ce schéma illustre le processus d’électrolyse, qui utilise de l’électricité pour décomposer l’eau en hydrogène et en oxygène. Ce processus se déroule dans un appareil appelé électrolyseur. L’hydrogène peut ensuite être utilisé ou stocké.
Processus de production
Les procédés de production d’hydrogène sont organisés en catégories selon le type d’énergie utilisée pour alimenter chaque technologie (tableau H.1).
Tableau H.1 – Aperçu des technologies de production
| Technologie de production | Description |
|---|---|
| Électrolyse réseau | Électrolyse alimentée à l’électricité achetée du réseau. |
| Électrolyse renouvelable | L’électrolyse est alimentée par des énergies renouvelables réservées à cet usage (comme la production industrielle d’électricité sur place). |
| Petits réacteurs modulaires – GN (avec CSC) | Procédé de reformage du méthane à la vapeur qui utilise du gaz naturel avec une technologie de captage et de stockage de carbone. |
| Reformage autothermique – GN (avec CSC) | Procédé de reformage autothermique qui utilise du gaz naturel et une technologie de captage et de stockage de carbone. Ce procédé utilise l’air (oxygène), qui provoque l’oxydation pour produire la chaleur endogène nécessaire au reformage à la vapeur. |
| Biomasse avec CSC | Procédé de gazéification et de reformage qui utilise la biomasse et une technologie de captage et de stockage de carbone. |
Le modèle de l’hydrogène attribue une production cible à chaque région du modèle en fonction de la demande. Les parts de marché des cinq technologies sont ensuite estimées à l’aide d’une analyse des choix des consommateurs, qui sont basés sur des facteurs de prix et d’autres facteurs. Des paramètres par défaut sont attribués à chacune des cinq technologies de production. Le tableau H.2 donne un exemple de caractéristiques par défaut, mais celles-ci peuvent varier selon le scénario et le moment.
Tableau H.2 – Caractéristiques par défaut des technologies de production
| Hypothèses par défaut | Échelle | Électrolyse (réseau) | Électrolyse (ressources renouvelables) | RAT + CSC | PRM + CSC | Biomasse + CSC |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Taux d’utilisation | 0,86 | Énergie éolienne = 0,86* 0,30 Énergie solaire = 0,86* 0,10 |
0,90 | 0,90 | 0,90 | |
| Production de l’usine | kg/jour | 1 500 | 379 000 | 379 000 | 379 000 | 139 282 |
| Efficacité énergétique | KWh | <50 KWh | <50 KWh | |||
| Taux de captage de CO2 | 0,95 | 0,90 | 0,90 | |||
| Vie utile | Années | 40 | 40 | 40 | 40 | 40 |
Émissions provenant de la production d’hydrogène
Selon la technologie utilisée, la production d’hydrogène peut émettre des émissions provenant de la combustion et des charges d’alimentation, mais une certaine partie de ces émissions peut être séquestrée.
- Le premier type d’émissions est calculé en multipliant par un facteur d’émissions la quantité de combustible (électricité, énergie éolienne, solaire ou gaz naturel) utilisée pour produire de l’hydrogène. Seules les technologies utilisant du gaz naturel produisent des émissions dues à la combustion. On déduit de ces émissions la quantité qui peut être séquestrée.
- Les émissions d’une charge d’alimentation donnée sont calculées en multipliant la quantité de matière première (gaz naturel) utilisée par la technologie de production par un facteur d’émissions pour cette charge d’alimentation. On déduit de ces émissions la quantité qui peut être séquestrée.
- Les émissions séquestrées provenant de la production d’hydrogène correspondent à une partie du combustible et de la charge d’alimentation utilisés pour produire l’hydrogène. Les technologies de captage, d’utilisation et de stockage du carbone peuvent réduire les émissions découlant de la production d’hydrogène. Une partie des émissions liées à la charge d’alimentation est séquestrée, comme l’indique les pourcentages d’émissions séquestrées provenant de sources extérieures.
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