SUNHY – Economic viability and potential impacts of decentralised hydrogen production from photovoltaic electricity

• Unité de recherche: OFEN
• Numéro de projet: SI/502770
• Titre du projet anglais: SUNHY – Economic viability and potential impacts of decentralised hydrogen production from photovoltaic electricity

Description succincte (Allemand)

Grüner Wasserstoff wird in der Schweizer Energiewende eine immer wichtigere Rolle spielen, sei es für die saisonale Speicherung, als Kraftstoff für die Mobilität oder als Ergänzung zu Erdgas. Diese Entwicklung ist jedoch nur möglich, wenn die Wasserstoffproduktion durch Elektrolyse mit erneuerbarer und kostengünstiger Elektrizität, wie beispielsweise aus Photovoltaik, kombiniert werden kann. Eine Größenordnung von etwa hundert kW könnte es in Zukunft ermöglichen, von industriellen Kosten für Elektrolyseure und ebenfalls kostengünstiger Photovoltaik-Energie zu profitieren. Die wirtschaftliche Machbarkeit dieser Kombination wirft noch Fragen auf. Dieses Projekt schlägt vor, diese zu untersuchen, um die für den Einsatz von Solarwasserstoff günstigsten Produktionsverfahren und Anwendungen zu ermitteln und gleichzeitig das Potenzial sowie die energetischen, ökologischen und wirtschaftlichen Auswirkungen zu quantifizieren.

Description succincte (Anglais)

Green hydrogen is set to play an increasingly important role in Switzerland's energy transition, for seasonal storage, as a fuel for mobility, or as a supplement to natural gas. However, this development is only possible if hydrogen production by electrolysis can be combined with renewable and inexpensive electricity, such as photovoltaic power. A scale of around 100 kW could enable us to benefit from industrial costs for electrolysers and low-cost photovoltaic energy in the future. The economic feasibility of this combination still raises questions. This project proposes to study them in order to define the most favorable production methods and applications for the deployment of solar hydrogen, while quantifying the potential and the energy, ecological, and economic impacts.

Description succincte (Français)

L’hydrogène vert est appelé à jouer un rôle grandissant dans la transition énergétique suisse, pour le stockage saisonnier, comme carburant pour la mobilité ou complément au gaz naturel. Cette évolution n’est néanmoins possible que si la production d’hydrogène par électrolyse peut être associée à une électricité à la fois renouvelable et bon marché, telle que le photovoltaïque. Une échelle de l’ordre de la centaine de kW pourrait permettre demain de bénéficier de coûts industriels pour les électrolyseurs et d’énergie photovoltaïque également à faibles coûts. La faisabilité économique de cette association soulève encore des questions. Ce projet propose de les étudier de manière à définir le mode de production et les applications les plus favorables au déploiement de l’hydrogène solaire tout en quantifiant le potentiel et les impacts énergétiques, écologiques et économiques.

Rapport final (Allemand)

Das Projekt SunHy zielt darauf ab, die wirtschaftliche Machbarkeit und die Auswirkungen der dezentralen Produktion von grünem Wasserstoff in der Schweiz zu untersuchen, indem kostengünstige oder negativ bewertete Überschüsse aus der Photovoltaik genutzt werden. Dieser innovative Ansatz, der auf der Verwendung von wettbewerbsfähigen Elektrolyseuren basiert, soll eine nachhaltige Alternative zu kostspieligen Netzverstärkungen bieten und gleichzeitig die Energiewende und Dekarbonisierung unterstützen.

Die Studie konzentriert sich zunächst auf die technische und wirtschaftliche Charakterisierung der Produktion von grünem Wasserstoff. Es werden verschiedene Betriebsszenarien, Leistungsskalen und zeitliche Horizonte untersucht, die auf die geografischen Besonderheiten der Schweiz (ländlich, periurban, alpin) zugeschnitten sind. Gleichzeitig werden die potenziellen Anwendungen von Wasserstoff analysiert, sei es für die lokale Speicherung, die Rückverstromung oder andere Energie- und Industrieanwendungen. Diese Analysen berücksichtigen Kosten, logistische Einschränkungen und den technologischen Reifegrad der vorgeschlagenen Lösungen.

Das Projekt untersucht zudem Optionen für eine zentrale Nutzung, wie die saisonale Speicherung und geeignete Transportmethoden (Pipelines, Strasse oder Schiene), um den nationalen Bedarf an Elektrizität im Winter zu decken. Schliesslich werden diese Analysen kombiniert, um das wirtschaftliche, energetische und ökologische Potenzial der dezentralen Wasserstoffproduktion zu quantifizieren und ihre Gesamtwirkung auf die Schweizer Energiewende zu bewerten. Diese Arbeiten münden in konkrete Empfehlungen für die Einführung dieser innovativen Lösung, wobei die erforderlichen technischen, wirtschaftlichen und rechtlichen Rahmenbedingungen berücksichtigt werden.

Indem es Herausforderungen im Zusammenhang mit der Verwaltung von Photovoltaiküberschüssen und dem saisonalen Ungleichgewicht zwischen Produktion und Verbrauch adressiert, zielt dieses Projekt darauf ab, den Ausbau der Photovoltaik in der Schweiz zu beschleunigen und gleichzeitig eine nachhaltige und wirtschaftlich tragfähige Energiewende zu unterstützen.

Rapport final (Anglais)

The SunHy project aims to study the economic feasibility and impacts of decentralized green hydrogen production in Switzerland by leveraging low-cost or negative-value surplus photovoltaic production. This innovative approach, based on the use of competitive electrolyzers, seeks to offer a sustainable alternative to costly grid reinforcements while supporting energy transition and decarbonization.

The study initially focuses on the technical and economic characterization of green hydrogen production. It explores various operating scenarios, power scales, and time horizons tailored to Switzerland’s geographic specificities (rural, peri-urban, alpine). At the same time, the potential applications of hydrogen are analyzed, whether for local storage, re-electrification, or other energy and industrial uses. These analyses include costs, logistical constraints, and the technological maturity of the proposed solutions.The project also examines centralized valorization options, such as seasonal storage and suitable transport methods (pipelines, road, or rail), to address national winter electricity needs. Finally, it combines these analyses to quantify the economic, energy, and ecological potential of decentralized hydrogen production and evaluate its overall impact on Switzerland’s energy transition. These efforts will result in concrete recommendations for the deployment of this innovative solution, considering the technical, economic, and legal conditions required.

By addressing challenges related to managing photovoltaic surpluses and the seasonal imbalance between production and consumption, this project aims to accelerate the deployment of photovoltaics in Switzerland while supporting a sustainable and economically viable energy transition.

Rapport final (Français)

Le projet SunHy a pour objectif d’étudier la faisabilité économique et les impacts de la production décentralisée d’hydrogène vert en Suisse, en valorisant les excédents de production photovoltaïque à faible coût. Cette approche innovante, reposant sur l’utilisation d’électrolyseurs compétitifs, vise à créer une alternative durable aux renforcements coûteux des réseaux électriques, tout en soutenant la transition énergétique et la décarbonation.

L’étude se concentre dans un premier temps sur la caractérisation technique et économique de la production d’hydrogène vert. Elle explore différents scénarios de fonctionnement, échelles de puissance et horizons temporels, adaptés aux spécificités géographiques suisses (rural, périurbain, alpin). Parallèlement, les applications potentielles de l’hydrogène sont analysées, qu’il s’agisse de stockage local, de réélectrification ou d’autres usages énergétiques et industriels. Ces analyses intègrent les coûts, les contraintes logistiques et la maturité technologique des solutions envisagées.

Le projet étudie également les possibilités de valorisation centralisée, telles que le stockage saisonnier et les moyens de transport adaptés (gazoducs, transport routier ou ferroviaire), afin de répondre aux besoins nationaux en électricité hivernale. Enfin, il combine ces analyses pour quantifier le potentiel économique, énergétique et écologique de la production décentralisée d’hydrogène et en évaluer l’impact global sur la transition énergétique suisse. Ces travaux permettront de formuler des recommandations concrètes pour le déploiement de cette solution innovante, en tenant compte des conditions techniques, économiques et légales nécessaires.

En apportant des réponses aux défis liés à la gestion des excédents photovoltaïques et au déséquilibre saisonnier entre production et consommation, ce projet ambitionne d’accélérer le déploiement du photovoltaïque en Suisse, tout en soutenant une transition énergétique durable et économiquement viable.

Messages clés («Take-Home Messages»)

• Des surplus d’électricité conséquents sont anticipés dans la plupart des quartiers ruraux et périurbains. En équipant d’électrolyseurs les sous-stations moyenne-tension/basse-tension des quartiers les plus favorables (combinant un fort potentiel solaire et un transformateur de grande taille), une production annuelle d’hydrogène de 9 TWh à horizon 2035 et 16 TWh à horizon 2050 serait possible.
• La taille optimale d’électrolyseurs à l’échelle du quartier (sous-station transformatrice) est de l’ordre de 500 kW en zone périurbaine à horizon 2035, et jusqu’à 1500 kW à horizon 2050 (300 kW à 1200 kW en zone rurale). La puissance totale d’électrolyse serait ainsi de 3 GW en 2035 et 8 GW en 2050, pour des prix de 5 à 10 milliards de francs, bien en deçà des prix envisagés pour le renforcement du réseau.
• Le coût de production de l’hydrogène avec cette approche peut atteindre 12 cts/kWh, mais les étapes de transport et/ou de stockage, nécessaire à l’utilisation pertinente de l’hydrogène généré, doublent voire triplent cette valeur. La combinaison d’hydrogène avec du carbone (typiquement le CO₂ d’installations de biogaz, d’usines d’incinération des déchets, ou de site industriel de type cimenterie) permet de réutiliser les infrastructures existantes (réseau de gaz et stockage, ou cuves de stockage de produits pétroliers) et est une piste prometteuse afin de réduire ces coûts de transport et stockage.
• Malgré l’adéquation entre le potentiel énergétique de cette approche et les besoins projetés en combustible de synthèse dans une Suisse décarbonée (tous deux de l’ordre de 10 TWh/an), le bilan économique est le principal frein à son déploiement. Une baisse des coûts d’investissements, une incitation forte à la décarbonation, ou des soutiens publics sont des pistes pour concrétiser cette vision, de même qu’une valorisation efficace de la chaleur grâce à une convergence des réseaux électriques, gaziers et de chaleur.

Documents annexés

• Rapport Final [PDF] 1'977 kB