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L'hydrogène vert à 4 $/kg : le pari coréen d’un futur énergétique décarboné

L’hydrogène vert à 4 $/kg : le pari coréen d’un futur énergétique décarboné

par La rédaction
19 mars 2025
en Hydrogène, Renouvelable

La transition énergétique s’accélère, et la production d’hydrogène vert se heurte à un dilemme technologique : comment concilier rentabilité et durabilité ? Une étude coréenne explore les synergies entre électrolyseurs alcalins et à membrane échangeuse de protons (PEM), révélant des stratégies inédites pour optimiser les coûts et l’efficacité.  

Dans un contexte où l’hydrogène vert émerge comme un pilier des économies décarbonées, une équipe de chercheurs de l’Institut coréen de recherche sur l’énergie (KIER) a passé au crible les technologies d’électrolyse de l’eau, évaluant leurs performances économiques et techniques. Dirigés par le Dr. Joungho Park, les scientifiques ont comparé deux procédés dominants — l’électrolyse alcaline et celle à membrane PEM — pour identifier les voies d’optimisation, tant sur le plan financier qu’environnemental. Leurs conclusions, publiées récemment, offrent un cadre décisionnel pour les investissements futurs dans une filière encore en construction.  

Deux technologies, des défis asymétriques

L’hydrogène vert, produit via l’électrolyse de l’eau alimentée par des énergies renouvelables, repose principalement sur deux méthodes. L’électrolyse alcaline, technologie historique, permet une production à grande échelle à moindre coût grâce à son électrolyte liquide (comme l’hydroxyde de potassium). En revanche, sa dépendance à une alimentation électrique stable et continue la rend peu compatible avec les intermittences des énergies solaire ou éolienne. « Les cycles répétés de démarrage et d’arrêt dégradent les électrodes, réduisant la durée de vie des installations », souligne l’étude.  

À l’inverse, l’électrolyse PEM, bien que plus coûteuse à l’installation, présente une flexibilité accrue : elle tolère des variations de puissance et peut fonctionner avec des apports électriques minimaux, idéaux pour les énergies renouvelables intermittentes. Cependant, son stade de développement moins avancé et ses coûts initiaux élevés freinent son déploiement massif.  

Stratégies économiques : entre pragmatisme et transition

Pour contourner les limites, l’équipe du KIER a modélisé des scénarios d’hybridation. Concernant l’électrolyse alcaline, l’utilisation du réseau électrique existant comme source complémentaire s’avère la solution la plus rentable à court terme. Selon leurs calculs, combiner des renouvelables avec une alimentation partielle (20 %) issue du réseau fossile réduit le coût de production à 6,60 $/kg, contre 8,60 $/kg avec un système de stockage (batteries). Une économie significative, mais qui ne résout pas les défis environnementaux.  

« À long terme, remplacer progressivement l’électricité fossile par des sources sans carbone — nucléaire, biomasse ou renouvelables couplées à des stockages performants — sera incontournable », précise le rapport. Une transition qui dépendra de la baisse des coûts des systèmes de stockage (ESS), encore trop onéreux pour garantir une rentabilité verte.  

Cadre conceptuel d’une analyse technico-économique comparant l’électrolyse alcaline et l’électrolyse PEM de l’eau. Crédit : KIER

L’électrolyse PEM : flexibilité contre performance

Du côté des électrolyseurs PEM, les chercheurs ont identifié un levier méconnu : la surcharge électrique. En exploitant leur capacité à supporter des pics de puissance (jusqu’à 1,5 fois la normale), la production d’hydrogène peut être maximisée durant les périodes de surplus renouvelable. La méthode abaisse le coût à 5,80 $/kg, soit une réduction de 12 % par rapport à une utilisation standard.  

Cette méthode, toutefois, exige un accès privilégié à des sources renouvelables abondantes et stables. « Les zones à fort potentiel éolien ou solaire, comme les déserts ou les littoraux, seraient les plus aptes à en bénéficier », note l’étude

Appliquées au contexte coréen, ces conclusions dessinent une feuille de route pragmatique. En croisant des données météorologiques de l’île de Jeju, l’équipe a simulé un système combinant 100 MW d’électrolyse alcaline, 100 MW d’éolien offshore et 100 MW de solaire. Résultat : une production d’hydrogène stable à environ 4 $/kg, un seuil compétitif face aux énergies fossiles.  

« Ce modèle illustre l’importance de l’hybridation technologique », explique le Dr. Park. « En Corée, où le réseau électrique reste majoritairement fossile, miser sur l’électrolyse alcaline couplée à des sources vertes émergentes — comme l’hydrogène produit par les réacteurs nucléaires — pourrait accélérer la transition. »  

Vers une standardisation des choix stratégiques

L’étude souligne enfin l’importance de l’indicateur LCOH (coût nivelé de l’hydrogène), qui intègre l’ensemble des dépenses d’investissement et d’exploitation. Alors que l’Union européenne vise un LCOH à 1,8 $/kg d’ici 2030, les scénarios coréens montrent que cette cible exige une réduction drastique des coûts des électrolyseurs et des systèmes de stockage.  

« Les politiques publiques devront prioriser les subventions aux technologies émergentes comme le PEM, tout en soutenant la R&D sur les matériaux résistants aux cycles de puissance variables », conclut le Dr. Park. Une approche équilibrée, où innovation et pragmatisme économique guideront la quête d’un hydrogène véritablement vert.  

Lexique technique

  • Hydrogène vert : Hydrogène produit via l’électrolyse de l’eau alimentée par des énergies renouvelables.  
  • Électrolyse alcaline : Procédé utilisant un électrolyte liquide (ex. hydroxyde de potassium) pour séparer l’eau en hydrogène et oxygène.  
  • Électrolyse PEM : Technologie à membrane solide permettant une production flexible d’hydrogène, adaptée aux sources intermittentes.  
  • LCOH : Coût nivelé de production de l’hydrogène, calculé en divisant les coûts totaux (capital et opération) par la quantité d’hydrogène produite.  

Données clés

  • Coût de production avec ESS : 8,60 $/kg (électrolyse alcaline + stockage de 500 MWh).  
  • Coût avec réseau fossile : 6,60 $/kg (20 % de l’énergie provenant du réseau).  
  • Coût optimal PEM : 5,80 $/kg (surcharge électrique de 1,5x).  
  • Objectif coréen : 4 $/kg via un mix éolien, solaire et électrolyse alcaline.

Article : »Comparative techno-economic evaluation of alkaline and proton exchange membrane electrolysis for hydrogen production amidst renewable energy source volatility » – DOI : 10.1016/j.enconman.2024.119423

Source : KIER

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Tags: hydrogenePEM
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Dr. Joungho Park and his research team from the Energy AI and Computational Science Laboratory at the Korea Institute of Energy Research (KIER) have conducted an economic analysis of water electrolysis, a key technology for future eco-friendly hydrogen production, and presented optimal operation strategies to maximize efficiency and reduce costs.

Green hydrogen, considered a key eco-friendly fuel of the future, is primarily produced using two technologies: alkaline water electrolysis and proton exchange membrane (PEM) water electrolysis. Among these, alkaline water electrolysis is the most widely commercialized technology, as it enables the low-cost, large-scale production of hydrogen. However, it requires a high and stable power supply to operate, making it difficult to effectively couple with renewable energy sources, which often generate electricity intermittently

* Green hydrogen refers to ultra-clean hydrogen produced by splitting water using eco-friendly electricity generated from renewable energy sources such as solar power. According to Korea's 11th Basic Plan for Electricity Supply and Demand (announced on February 21, 2025), clean hydrogen—along with ammonia-based power generation—is expected to account for 6.2% of the nation's total power generation by 2038, up from virtually zero in 2023.
* Alkaline Water Electrolysis: A technology that uses an alkaline liquid electrolyte, such as potassium hydroxide, to split water into hydrogen and oxygen.
* Proton Exchange Membrane (PEM) Water Electrolysis: A technology that splits water into hydrogen and oxygen using a solid-state cation exchange membrane.

In the case of PEM water electrolysis, hydrogen can be produced even with a relatively small power supply, allowing it to operate solely on renewable energy. However, its drawbacks include high initial installation costs and a lower level of technological maturity compared to alkaline water electrolysis. These challenges make it difficult to build a green hydrogen production infrastructure relying on just one technology.

To address this, the research team conducted a comparative analysis of the technical characteristics and economic feasibility of alkaline water electrolysis and PEM water electrolysis, ultimately deriving optimal operation strategies. In particular, they proposed that the most cost-effective approach is to use the existing power grid as a supplemental power source to provide a stable electricity supply for operating alkaline water electrolysis systems.

If a stable power supply is not maintained for alkaline water electrolysis systems, repeated start-up and shutdown cycles can cause degradation, reducing both the system’s lifespan and efficiency. To overcome this, it is essential to continuously supply power using auxiliary sources such as energy storage systems (ESS).

According to the research team's analysis, when using renewable energy combined with an energy storage system (ESS) as a backup power source, the hydrogen production cost was estimated at up to $8.60 per kilogram. In contrast, securing supplementary power from the existing fossil fuel-based power grid could reduce the cost to around $6.60 per kilogram. While, for now, linking to the existing power grid is the more economical option, this approach does not resolve environmental concerns. In the long term, the study suggests that reducing ESS costs and increasing the share of carbon-free power sources—such as biomass and nuclear energy—will be essential to achieving both economic and environmental sustainability in hydrogen production.

* Levelized Cost of Hydrogen (LCOH): An indicator that calculates the unit cost of hydrogen production by dividing the total capital and operating costs of hydrogen production by the total amount of hydrogen produced.
* Hydrogen Production Cost Calculation Criteria
ESS Combination: Estimated at $8.60 per kilogram when using an energy storage system (ESS) with a capacity of 500 megawatt-hours (MWh).
Power Grid Utilization: Estimated at $6.60 per kilogram based on utilizing 20% of the minimum power required to operate alkaline water electrolysis from the existing power grid.

For PEM water electrolysis, the research team suggested that applying an electrical overload could actually improve economic efficiency. This is because PEM systems are capable of overload operation, allowing excess power beyond the required amount to be supplied in order to increase hydrogen production. The analysis showed that by boosting renewable energy output and supplying 1.5 times the required power, the hydrogen production cost could be reduced to as low as $5.80 per kilogram.

Based on these findings, the research team concluded that PEM water electrolysis is the most suitable option in environments with a high share of renewable energy and a stable power supply. In other cases, the ideal approach is to combine alkaline water electrolysis with a carbon-free power grid.

Additionally, the research team proposed an optimal water electrolysis-based hydrogen production combination tailored to Korea’s energy landscape. Based on an analysis using meteorological data from Jeju Island, the study found that, in the future, a stable hydrogen supply at approximately $4 per kilogram could be achieved by combining a 100-megawatt (MW) water electrolysis system with 100 MW of offshore wind power and 100 MW of solar power.

Dr. Joungho Park, who led the study at KIER, stated, “This research is significant in that it clearly analyzes the technical differences between alkaline and PEM water electrolysis and presents optimal design and operation strategies tailored to different energy environments.” He added, “We expect these findings to serve as a valuable reference for selecting technologies and guiding investment decisions when building hydrogen production systems using renewable energy in the future.”

Journal

Energy Conversion and Management

DOI

10.1016/j.enconman.2024.119423

Article Title

Comparative techno-economic evaluation of alkaline and proton exchange membrane electrolysis for hydrogen production amidst renewable energy source volatility

Article Publication Date

1-Feb-2025

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