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L’hydrogène : quel avenir ?

L’hydrogène : quel avenir ?

L’hydrogène est déjà utilisé dans des trains, des autocars, des automobiles ou même des scooters. L’hydrogène peut être utilisé dans le transport mais aussi comme moyen de chauffage. Ila question de la sécurité est de mieux en mieux prise en charge ;  se pose surcout le problème de sa compétitivité car produire de l’hydrogène coute cher. .Une voiture a hydrogène coute le double d’uen voiture purement électrique.  Il s’agit de questions techniques mais aussi d’économie d’échelle car l’hydrogène est utilisé aujourd’hui de manière très marginale.   La question est de savoir si cette filière peut prendre une dimension de masse voir éventuellement se substituer à la voiture purement électrique utilisant des batteries ( sources Natura sciences et  le Figaro).

 

L’hydrogène est l’élément chimique le plus abondant de l’univers. Il s’agit d’un corps simple, gazeux, qui entre notamment dans la composition de l’eau. «Chaque molécule d’eau est le fruit de la combinaison entre 1 atome d’oxygène et 2 atomes d’hydrogène. On trouve aussi de l’hydrogène dans les hydrocarbures (pétrole et gaz) qui sont issus de la combinaison d’atomes de carbone et d’hydrogène», explique l’IFP énergie nouvelle (IFPEN), sur son site. L’hydrogène n’est pas une source d’énergie directe mais plutôt un vecteur énergétique. Dans les transports il est par exemple utilisé dans une pile à combustible pour générer de l’énergie.

 

L’hydrogène n’existe pas à l’état pur. Pour le produire, il faut utiliser des procédés chimiques pour séparer l’hydrogène des éléments auxquels il est associé. Il faut pour cela une source d’hydrogène et une source d’énergie. L’hydrogène peut ainsi être fabriqué par «vaporeformage de gaz naturel, électrolyse de l’eau, gazéification et pyrolyse de la biomasse, décomposition thermochimique ou photochimique de l’eau, production biologique à partir d’algues ou de bactéries», énumère l’Ademe,

Avant d’utiliser l’hydrogène, il faut le produire. Et c’est là que le bât blesse ! Il est aujourd’hui synthétisé à hauteur de 95 % à partir d’énergies fossiles. Pour ce faire, il faut beaucoup d’énergie et les émissions de CO2 sont importantes. Les techniques les plus utilisées sont le reformage, le vaporeformage et la gazéification. Une transition est donc à effectuer vers des modes de productions plus « propres ».

Replacer le pétrole et le gaz par l’hydrogène ne présente un intérêt que lorsqu’on peut le produire de façon décarbonée. Air Liquide a mis en place l’initiative Blue Hydrogen afin que 50 % de ses applications d’hydrogène énergie soient couvertes par des moyens bas carbone ou zéro carbone d’ici 2020. « On essaye de trouver le juste compromis entre faible teneur carbone et les contraintes économiques acceptables pour l’ensemble des applications », affirme Jean-Baptiste Mossa.

De nombreux travaux sont menés pour produire de l’hydrogène plus « propre » à partir de méthane, de biomasse et de déchets. En effet, il est possible de faire fermenter des bioressources. Les gaz de fermentations sont récupérables et filtrables pour concentrer le méthane qui servira à produire l’hydrogène. Couplé à un mode de capture du CO2, les émissions seraient nulles. Des travaux sont menés en France sur cette technique.L’hydrogène peut également être produit par électrolyse de l’eau. En utilisant de l’électricité d’origine renouvelable, il est possible de produire de l’hydrogène décarboné. Des démonstrateurs sont en cours. D’autres solutions de stockage sont à l’étude. Au Canada, par exemple, un barrage hydraulique alimente un électrolyseur pour produire de l’hydrogène.L’hydrogène est aussi produit dans des process industriels : il s’agit de l’l’hydrogène « fatal » produit, par exemple, lors de la fabrication du chlore ou de l’ammmoniac. Faute de valorisation, cette hydrogène est aujourd’hui brûlé et donc perdu. « Rien qu’en Europe, il y a moyen de faire rouler 2 millions de véhicules de piles à hydrogène avec de l’hydrogène fatal ; en France, 330 000 véhicules ! », affirme Bertrand Chauvet, Responsable du marketing de SymbioFCell. Pourquoi ne pas le récupérer ?Mais finalement, la révolution de l’hydrogène proviendra peut-être de la croûte terrestre. Alors que l’on pensait que l’hydrogène n’existait pas pur à l’état naturel, à part dans des sources inexploitables découvertes en mer, IFP Energies nouvelles a mis en évidence des émanations naturelles continues d’hydrogène sur terre.

Comme le précise l’IFPEN, «la molécule d’hydrogène, composée de deux atomes d’hydrogène, est particulièrement énergétique: 1 kg d’hydrogène libère environ trois fois plus d’énergie qu’1 kg d’essence». De plus, l’hydrogène, lorsqu’il est produit à partir de ressources renouvelables, est considéré comme non polluant. «Les rejets d’un véhicule à hydrogène sont composés uniquement d’eau. Il n’y a aucune émission de particule nocive ou de Co²», affirme Erwin Penfornis, directeur du marché hydrogène chez Air Liquide. Autre avantage selon le spécialiste: «Avec l’hydrogène, il y a plus d’autonomie et c’est plus rapide à recharger. Il faut compter un temps de recharge d’environ 3 minutes dans une station de remplissage».

 

L’hydrogène est aussi considéré comme un moyen durable de stocker de l’énergie. «On peut stocker les surplus d’énergies renouvelables pour pouvoir les réutiliser plus tard, ce qui n’est pas possible avec l’électricité. C’est un enjeu énorme permettant d’intégrer plus de renouvelable dans la consommation énergétique», assure Erwin Penfornis. «Des pays comme le Japon ont compris qu’ils allaient avoir besoin de ce vecteur énergétique qui peut être produit ailleurs, stocké et transporté par navire, camion ou par pipeline. C’est pour cela que le Japon est le pays le plus avancé dans ce secteur de l’hydrogène», explique-t-on chez Air Liquide. Le groupe a d’ailleurs annoncé l’an dernier la création d’une société commune avec 10 entreprises japonaises pour accélérer le développement du réseau de stations de recharge d’hydrogène dans l’archipel. Objectif: construire un réseau de 320 stations d’ici 2025, et 900 d’ici 2030.

 

Pour le moment, la consommation mondiale d’hydrogène reste encore faible: environ 56 millions de tonnes, soit moins de 2% de la consommation mondiale d’énergie. Mais d’après une étude réalisée par le Hydrogen Council avec McKinsey, l’hydrogène pourrait représenter près d’un cinquième de l’énergie totale consommée à l’horizon 2050. «Cela permettrait de contribuer à hauteur de 20% à la diminution requise pour limiter le réchauffement climatique à 2°C», explique l’Hydrogen Council, qui considère que l’hydrogène pourrait alimenter 10 à 15 millions de voitures et 500.000 camions d’ici à 2030. Selon cette étude, la demande annuelle d’hydrogène pourrait globalement être multipliée par dix d’ici à 2050 et représenter 18% de la demande énergétique finale totale dans le scénario des 2°C. À cet horizon, l’hydrogène pourrait générer un chiffre d’affaires de 2500 milliards de dollars et créer plus de 30 millions d’emplois.

«Cette molécule est utilisée depuis longtemps dans l’industrie comme matière première. Air Liquide par exemple en fournit depuis 50 ans à des secteurs comme le raffinage, la chimie ou le domaine spatial. L’hydrogène est notamment le carburant de lancement de la fusée Ariane depuis des décennies», explique Erwin Penfornis. Mais son utilisation est très large. «L’hydrogène a la capacité d’alimenter tous les usages énergétiques comme le transport ou le chauffage», ajoute le spécialiste.

 

 

C’est surtout dans les transports que son usage évolue. «L’hydrogène, stocké dans des réservoirs, est transformé en électricité grâce à une pile à combustible», explique-t-on chez Air Liquide.

 

Filière hydrogène : l’avenir ?

Filière hydrogène : l’avenir ?

Ce que pense evidemment l’Association française de l’hydrogène et de la pile à combustible (AFHYPAC), qui organisait son assemblée générale ce 12 décembre, mais, aussi les gilets jaunes qui demandaient la « Fin du CICE. Utilisation de cet argent pour le lancement d’une industrie française de la voiture à hydrogène qui est véritablement écologique, contrairement à la voiture électrique. » Il est bien difficile de trouver des articles un peu objectifs sur les potentialités des différentes énergies qualifiées de nouvelles. En effet, la plupart du temps la littérature sur chaque source d’énergie est surtout le fait de lobbies qui vantent  les mérites des intérêts qu’ils représentent, c’est le cas du nucléaire évidemment mais tout autant par exemple du lobby du solaire, de l’éolienne ou encore de l’hydrogène. Un article intéressant émanant du blog cavainc.blogspot.com  essaye de faire le point sur le sujet, il évoque les potentialités mais souligne aussi toutes les difficultés qui restent à résoudre en matière de production, aujourd’hui encore trop polluantes et/ou  trop peu compétitives, aussi en matière de transport,  de stockage et ‘utilisation notamment les risques d’explosion.

 

« L’hydrogène apporte à l’électricité la souplesse d’utilisation qui lui fait défaut. En effet, si l’on sait produire de l’électricité de multiples façons, on ne sait pas la stocker efficacement. Les batteries sont coûteuses et n’offrent qu’une autonomie très limitée. L’hydrogène, lui, peut être stocké. Ainsi, avec une réserve d’hydrogène et une pile à combustible, il devient possible de produire de l’électricité n’importe où et n’importe quand, sans être relié au réseau électrique. Grâce à l’hydrogène et à la pile à combustible, électricité et mobilité deviennent plus aisément compatibles.

Petit historique de l’hydrogène

C’est en 1766 que le chimiste britannique Henry Cavendish parvint à isoler une nouvelle substance gazeuse qui brûlait dans l’air, et qu’il appela pour cela “air inflammable”. Pour arriver à ses fins, il recueillit avec beaucoup de soins, dans des vessies de porc, le gaz produit par l’action de l’acide chlorhydrique sur le fer, le zinc, l’étain, et découvrit qu’au moment où le gaz s’échappait de la vessie il brûlait avec une même flamme bleue pour chacun des échantillons dès qu’on l’allumait.

L’hydrogène doit son nom au chimiste français Antoine-Laurent de Lavoisier, qui effectua peu de temps après en 1781 la synthèse de l’eau. En 1804 le Français Louis-Joseph Gay-Lussac et l’Allemand Alexander von Humboldt démontrèrent conjointement que l’eau est composée d’un volume d’oxygène pour deux volumes d’hydrogène, et c’est en 1839 que l’Anglais William R. Grove découvrît le principe de la pile à combustible : il s’agit d’une réaction chimique entre l’hydrogène et l’oxygène avec production simultanée d’électricité, de chaleur et d’eau.

Dans les années 1939-1953 l’Anglais Francis T. Bacon fît progresser les générateurs chimiques d’électricité, qui permirent la réalisation du premier prototype industriel de puissance, et à partir de 1960 la NASA utilisa la pile à combustible pour alimenter en électricité ses véhicules spatiaux (programmes Apollo et Gemini).

 

Une petite molécule pleine d’énergie

La molécule d’hydrogène que nous utilisons le plus couramment est composée de deux atomes d’hydrogène (H2). Incolore, inodore, non corrosive, cette molécule a l’avantage d’être particulièrement énergétique : la combustion de 1 kg d’hydrogène libère environ 3 fois plus d’énergie qu’1 kg d’essence (soit 120 MJ/kg contre 45 MJ/kg pour l’essence). En revanche, comme l’hydrogène est le plus léger des éléments, il occupe, à poids égal, beaucoup plus de volume qu’un autre gaz. Ainsi, pour produire autant d’énergie qu’avec 1 litre d’essence, il faut 4,6 litres d’hydrogène comprimé à 700 bars. Ces volumes importants sont une contrainte pour le transport et le stockage sous forme gazeuse.

Comme de nombreux combustibles, l’hydrogène peut s’enflammer ou exploser au contact de l’air. Il doit donc être utilisé avec précaution. Mais la petitesse de ses molécules lui permet de diffuser très rapidement dans l’air (quatre fois plus vite que le gaz naturel), ce qui est un facteur positif pour la sécurité.

 

Une technologie d’avenir déjà ancienne

Le développement de la filière hydrogène repose en grande partie sur la technologie de la pile à combustible (PAC). Son principe n’est pas nouveau mais, s’il paraît simple, sa mise en œuvre est complexe et coûteuse, ce qui a interdit sa diffusion dans le grand public pendant longtemps. Aujourd’hui, des progrès ont été réalisés et les applications envisageables sont nombreuses.

Les enjeux sont immenses, notamment dans le cas des transports, aujourd’hui exclusivement dépendants des énergies fossiles non renouvelables et très polluantes. Des véhicules électriques alimentés par une pile à combustible fonctionnant à l’hydrogène pourront remplacer avantageusement nos véhicules actuels : de nos voitures ne s’échappera plus que de l’eau ! Les constructeurs automobiles ont déployé depuis 2008 les premières applications de l’hydrogène dans les “flottes captives” : bus et véhicules utilitaires ont en effet un point de passage ou de stationnement obligé, ce qui facilite le ravitaillement. Les premières voitures particulières pourraient, quant à elles, commencer à pénétrer le marché entre 2010 et 2020.

Déjà, la micro-PAC produit les quelques watts nécessaires à l’alimentation d’appareils portables (téléphones, ordinateurs…), en multipliant par 5 leur autonomie par rapport aux systèmes actuels et permettant une recharge en un instant et n’importe où.

Les applications stationnaires d’une PAC capable de produire par exemple 1 MW sont également intéressantes. Elles pourraient être commercialisées à l’horizon 2010. Dans les habitations, l’hydrogène sera ainsi tout à la fois source de chaleur et d’électricité. Il permettra, de plus, d’alimenter en électricité les relais isolés qui ne peuvent être raccordés au réseau (sites montagneux, mer…).

Sur ce terrain, il peut devenir le parfait complément des énergies renouvelables. En effet, les énergies solaire ou éolienne ont l’inconvénient d’être intermittentes. Grâce à l’hydrogène, il devient possible de gérer ces aléas : en cas de surproduction, l’électricité excédentaire peut servir à produire de l’hydrogène ; lorsque la production est insuffisante, l’hydrogène peut à son tour être converti en électricité.

Les potentialités de ce gaz ne se limitent pas à la production d’électricité. Il peut également fournir de l’énergie par combustion. C’est déjà le cas dans le domaine spatial, où il sert à la propulsion des fusées. Il pourrait entrer également dans la composition de gaz de synthèse, ce qui permettrait d’obtenir des carburants plus énergétiques que les carburants actuels.

 

Présent partout… mais disponible nulle part

L’hydrogène est extrêmement abondant sur notre planète. Chaque molécule d’eau (H2O) en contient deux atomes. Or, l’eau couvre 70 % du globe terrestre. On trouve également de l’hydrogène dans les hydrocarbures qui sont issus de la combinaison d’atomes de carbone et d’hydrogène. De même la biomasse (organismes vivants, animaux ou végétaux) est donc une autre source potentielle d’hydrogène.

Mais bien qu’il soit l’élément le plus abondant de la planète, l’hydrogène n’existe pratiquement pas dans la nature à l’état pur. Il pourrait donc être converti en énergie de façon inépuisable… à condition de savoir le produire en quantité suffisante.

Il a heureusement l’avantage de pouvoir être produit à partir des trois grandes sources : fossile, nucléaire, biomasse. Mais pour être économiquement et écologiquement viable, sa production doit répondre à trois critères :

- la compétitivité : les coûts de production ne doivent pas être trop élevés

- le rendement énergétique : la production ne doit pas nécessiter trop d’énergie

- la propreté : le processus de fabrication doit être non polluant sous peine d’annuler l’un des principaux atouts de l’hydrogène.

Plusieurs méthodes sont aujourd’hui opérationnelles, mais aucune ne répond pour l’instant parfaitement à ces trois critères. Les coûts de production restent notamment très élevés, ce qui est un obstacle pour des utilisations massives. De nouvelles voies prometteuses sont en cours d’élaboration.

 

La production actuelle

Si l’hydrogène n’est quasiment pas utilisé dans le domaine de l’énergie, il est une des matières de base de l’industrie chimique et pétrochimique. Il est utilisé notamment pour la production d’ammoniac et de méthanol, pour le raffinage du pétrole ; il est également employé dans les secteurs de la métallurgie, de l’électronique, de la pharmacologie ainsi que dans le traitement de produits alimentaires. Pour couvrir ces besoins, 50 millions de tonnes d’hydrogène sont déjà produits chaque année. Mais si ces 50 millions de tonnes devaient servir à la production d’énergie, elles ne représenteraient que 1,5 % des besoins mondiaux d’énergie primaire. Utiliser l’hydrogène comme vecteur énergétique suppose donc d’augmenter énormément sa production.

 

Production d’hydrogène à partir des énergies fossiles

Aujourd’hui, 95 % de l’hydrogène est produit à partir des combustibles fossiles par reformage : cette réaction chimique casse les molécules d’hydrocarbures sous l’action de la chaleur pour en libérer l’hydrogène. Le vaporeformage du gaz naturel est le procédé le plus courant : le gaz naturel est exposé à de la vapeur d’eau très chaude, et libère ainsi l’hydrogène qu’il contient.

Mais la production d’hydrogène par reformage a l’inconvénient de rejeter du gaz carbonique (CO2) dans l’atmosphère, principal responsable de l’effet de serre. Pour éviter cela, la production d’hydrogène à partir de combustibles fossiles supposerait donc d’emprisonner le gaz carbonique par des techniques qui doivent faire l’objet de développements (on envisage, par exemple, de réinjecter le gaz carbonique dans les puits de pétrole épuisés).

L’hydrogène produit à partir du gaz naturel est le procédé le moins cher. Mais son prix de revient reste le triple de celui du gaz naturel. Comme ce mode de production est polluant et que les ressources en énergies fossiles sont appelées à décroître, diversifier les modes de production s’avère indispensable.

 

Production de l’hydrogène par décomposition de l’eau

Une voie possible consiste à dissocier les atomes d’oxygène et d’hydrogène combinés dans les molécules d’eau (selon la réaction H2O —> H2 + 1/2 O2). Cette solution est la plus intéressante en termes d’émission de gaz à effet de serre…

à condition toutefois d’opérer cette dissociation à partir de sources d’énergie elles-mêmes non émettrices de CO2.

Parmi les procédés envisageables, deux sont actuellement à l’étude : l’électrolyse et la dissociation de la molécule d’eau par cycles thermochimiques.

L’électrolyse permet de décomposer chimiquement l’eau en oxygène et hydrogène sous l’action d’un courant électrique. La production d’hydrogène par électrolyse peut se faire dans de petites unités réparties sur le territoire national. Pour être rentable, ce procédé exige de pouvoir disposer de courant électrique à très faible coût. Actuellement, la production d’hydrogène par électrolyse coûte 3 à 4 fois plus cher que la production par reformage du gaz naturel. Elle souffre de plus d’un mauvais rendement global. L’électrolyse à haute température, qui est une amélioration de l’électrolyse classique, permettrait d’obtenir de meilleurs rendements.

L’autre procédé de décomposition de la molécule d’eau par cycles thermochimiques permet d’opérer la dissociation de la molécule à des températures de l’ordre de 800° à 1000 °C. De telles températures pourraient être obtenues par le biais de réacteurs nucléaires à haute température de nouvelle génération, actuellement à l’étude, ou de centrales solaires.

 

Production directe à partir de la biomasse

La biomasse est une source de production d’hydrogène potentiellement très importante. Elle est constituée de tous les végétaux (bois, paille, etc.) qui se renouvellent à la surface de la Terre. L’hydrogène est produit par gazéification, laquelle permet l’obtention d’un gaz de synthèse (CO + H2). Après purification, celui-ci donne de l’hydrogène. Cette solution est attrayante car la quantité de CO2 émise au cours de la conversion de la biomasse en hydrogène est à peu près équivalente à celle qu’absorbent les plantes au cours de leur croissance ; l’écobilan est donc nul.

Un jour, il sera peut-être possible de produire de l’hydrogène à partir de bactéries et de micro-algues. On a en effet découvert récemment que certains de ces organismes avaient la particularité de produire de l’hydrogène sous l’action de la lumière. Mais ce procédé n’en est aujourd’hui qu’au stade du laboratoire.

Pour que l’hydrogène puisse réellement devenir le vecteur énergétique de demain, il faut qu’il soit disponible à tout moment et en tout point du territoire. Mettre au point des modes de transport, de stockage et de distribution efficaces représente donc un enjeu crucial.

 

Les réseaux de distribution

Dans les schémas actuels, la logique de distribution industrielle est en général la suivante : l’hydrogène est produit dans des unités centralisées, puis utilisé sur site ou transporté par gazoducs. Ce transport permet de connecter les principales sources de production aux principaux points de son utilisation.

Des réseaux de distribution d’hydrogène par gazoducs existent déjà dans différents pays pour approvisionner les industries chimiques et pétrochimiques (environ 1 050 km en France, en Allemagne et au Bénélux sont exploités par Air Liquide). La réalisation de ces infrastructures industrielles démontre que l’on dispose d’une bonne maîtrise de la génération et du transport d’hydrogène. Un bémol cependant : le coût du transport est environ 50 % plus élevé que celui du gaz naturel et une unité de volume d’hydrogène transporte trois fois moins d’énergie qu’une unité de volume de gaz naturel.

Pour distribuer l’hydrogène, des infrastructures de ravitaillement devront être développées.

La mise au point de stations-service ne semble pas poser de problèmes techniques particuliers. Une quarantaine de stations pilotes existent d’ailleurs déjà dans le monde, en particulier aux États-Unis, au Japon, en Allemagne et en Islande. Il faudra cependant du temps pour que ces stations-service couvrent tout le territoire, ce qui risque de freiner le développement de l’hydrogène dans les transports.

Pour pallier cette difficulté, certains constructeurs automobiles envisagent d’utiliser, plutôt que l’hydrogène lui-même, des carburants qui en contiennent. Dans ce cas, l’étape de reformage a lieu à bord du véhicule. L’intérêt du procédé est alors réduit puisque le reformage produit du dioxyde de carbone, principal responsable de l’effet de serre.

 

Le stockage de l’hydrogène

Concevoir des réservoirs à la fois compacts, légers, sûrs et peu coûteux est déterminant puisque c’est précisément cette possibilité de stockage qui rend l’hydrogène particulièrement attractif par rapport à l’électricité.

 

Stockage sous forme liquide

Conditionner l’hydrogène sous forme liquide est une solution a priori attrayante. C’est d’ailleurs sous cette forme qu’il est utilisé dans le domaine spatial. Mais c’est, après l’hélium, le gaz le plus difficile à liquéfier. Cette solution entraîne une dépense énergétique importante et des coûts élevés qui rendent son application plus difficile pour le grand public.

 

Stockage gazeux sous haute pression

Le conditionnement sous forme gazeuse est une option prometteuse. Les contraintes sont toutefois nombreuses.

Léger et volumineux, un tel gaz doit être comprimé au maximum pour réduire l’encombrement des réservoirs. Des progrès ont été faits : de 200 bars, pression des bouteilles distribuées dans l’industrie, la pression est passée à 350 bars aujourd’hui, et les développements concernent maintenant des réservoirs pouvant résister à des pressions de 700 bars. Mais cette compression a un coût. De plus, même comprimés à 700 bars, 4,6 litres d’hydrogène sont encore nécessaires pour produire autant d’énergie qu’avec 1 litre d’essence.

Le risque de fuite gazeuse doit également être pris en considération compte tenu du caractère inflammable et explosif de ce gaz dans certaines conditions. Or, en raison de la petite taille de sa molécule, l’hydrogène est capable de traverser de nombreux matériaux, y compris certains métaux. Il en fragilise, de plus, certains en les rendant cassants.

L’étude du stockage haute pression consiste donc, pour l’essentiel, à éprouver la résistance des matériaux à l’hydrogène sous pression. Ces matériaux doivent être résistants mais relativement légers (mobilité oblige). Les réservoirs métalliques, utilisés actuellement, se révèlent encore coûteux et lourds au regard de la quantité de gaz qu’ils peuvent emporter. Des réservoirs non plus métalliques mais en matériaux polymères sont en cours d’élaboration pour répondre à ces contraintes.

 

Stockage sous basse pression

Une autre solution consisterait à stocker l’hydrogène dans certains matériaux carbonés ou dans certains alliages métalliques capables d’absorber l’hydrogène et de le restituer lorsque cela est nécessaire. Ce mode de stockage fait actuellement l’objet de nombreuses études.

 

Les différentes filières technologiques

Il existe plusieurs types de piles à combustible qui se différencient par leur électrolyte. Ce dernier définit la température de fonctionnement de la pile et, de fait, son application. Il y a aujourd’hui deux obstacles majeurs au développement des applications commerciales des piles : des difficultés d’ordre technologique (compacité insuffisante, usure des matériaux trop rapide, rendements énergétiques perfectibles) et les coûts de fabrication.

Actuellement, les recherches visent à diminuer les coûts tout en améliorant les performances. Elles tournent principalement autour de deux familles de piles à électrolytes solides.

• La pile à membrane échangeuse de protons P.E.M.F.C. (Proton Exchange Membrane Fuel Cell) fonctionne à 80°C avec un électrolyte en polymère. C’est la plus prometteuse pour les transports. Les prototypes actuels pour les automobiles reviennent à 7 600 euros/kW. L’enjeu des recherches est de faire passer leur coût en dessous de 50 euros/kW.

Une variante, la pile à méthanol direct D.M.F.C. (Direct Methanol Membrane Fuel Cell) ou à éthanol direct D.E.F.C. (Direct Ethanol Membrane Fuel Cell), consomme directement l’hydrogène contenu dans l’alcool. Très compacte, elle est promise à l’alimentation de la micro-électronique et de l’outillage portatif.

• La pile à oxyde solide S.O.F.C. (Solid Oxide Fuel Cell), est séduisante pour les applications stationnaires, car sa température de fonctionnement très élevée (de l’ordre de 800°C) permet d’utiliser directement le gaz naturel sans reformage. De plus, la chaleur résiduelle peut être exploitée à son tour directement, ou servir à produire de l’électricité par le biais d’une turbine à gaz. Dans ce cas, le rendement global pourrait atteindre 80%.

 

L’hydrogène en toute sécurité

Bien que couramment utilisé dans l’industrie, l’hydrogène est souvent considéré comme un gaz dangereux. Cette image est essentiellement liée à l’accident du ballon dirigeable Hindenburg en 1937, même si nous savons aujourd’hui que la cause réelle de l’incendie n’était pas liée à l’hydrogène, mais à la nature extrêmement inflammable du vernis qui recouvrait l’enveloppe.

Au début du XXe siècle, l’hydrogène était utilisé couramment par le grand public dans le gaz de ville. Si ce mélange d’hydrogène et d’oxyde de carbone a été délaissé, c’est en raison de l’extrême toxicité de l’oxyde de carbone et non à cause de l’hydrogène.

Certes, l’hydrogène doit être utilisé avec précaution, mais il n’est pas plus dangereux que le gaz naturel : les risques sont simplement différents. Pour assurer une utilisation de l’hydrogène en toute sécurité, il faut essentiellement éviter tout risque de fuite, car l’hydrogène est inflammable et explosif, et toute situation de confinement peut s’avérer dangereuse. Ceci suppose l’utilisation de dispositifs de sécurité adéquats (ventilateurs, détecteurs…). De nombreuses études sont menées à chaque étape de la filière pour pallier ces risques. Le C.E.A. effectue, par exemple, des tests d’éclatement de chute et de perforation sur les réservoirs haute pression qu’il met au point.

Il est important de définir également des règles d’utilisation communes. La mise en place d’une économie hydrogène ne pourra se faire sans une harmonisation des normes et des réglementations au niveau européen et international. En 1990, l’International Standard Organisation (ISO), organisation internationale de normalisation, a ainsi créé un comité technique pour élaborer des normes dans le domaine de la production, du stockage, du transport et des diverses applications de l’hydrogène ; à titre d’exemple, le projet européen E.I.H.P. (European Integrated Hydrogen Project) émet des propositions de réglementation pour les véhicules à hydrogène et les infrastructures de distribution.

 

Inépuisable, respectueux de l’environnement, souple dans son utilisation, l’hydrogène offre de nombreux avantages. Combiné à l’électricité, il devrait permettre de satisfaire les principaux besoins en énergie de l’homme. Face à la pénurie des énergies fossiles qui se profile, l’intérêt de la filière hydrogène est incontestable. Mais avant que l’hydrogène n’entre dans notre vie quotidienne, des progrès doivent être faits à chaque étape de la filière : production, transport, stockage, utilisation.

/cavainc.blogspot.com

La SNCF : l’hydrogène d’ici 2035, si la société existe encore !

La SNCF : l’hydrogène d’ici 2035, si la société existe encore !

 

 

 

Jamais sans doute un patron de la SNCF n’aura été aussi bavard dans les médias. Guillaume Pepy a toujours quelque chose à annoncer, c’est le champion de la communication mais pas forcément de la gestion. Pour preuve,  l’état lamentable de l’entreprise où il occupe des fonctions de direction depuis maintenant une vingtaine d’années. Pour l’ancien énarque,  le faire savoir et plus important que le savoir-faire. Une tendance générale à la SNCF au nombre d’énarques ont pris la place de nombreux d’ingénieurs x-mines. Certes ces derniers n’étaient pas toujours de grands experts en matière de gestion mais techniquement il savait au moins de quoi il parlait. Avec l’ENA,  c’est la double punition : incompétence technique et incompétence en matière de management et de gestion. Pepy des trains à l’hydrogène sur les lignes secondaires ou transversales qui auront disparu d’ici 20 ans. Faut-il aussi rappeler à la direction de la SNCF qu’elle fait aussi circuler des trains diesels sur les lignes électrifiés cela au nom d’économies. Des économies qui se font sur une sur une théorie économique complètement obsolète qui consiste à se priver d’activité selon une théorie vieille de plus de 50 ans qui conduit progressivement au réseau noyau qui ne desservira que les grandes villes. Pourtant le patron de la SNCF annonce la mise en service de train à propulsion hydrogène d’ici 2030 au lieu de 2050. La question qu’il faut se poser c’est de savoir si c’est train à hydrogène seront encore nécessaires pour se substituer au diesel sur le réseau secondaire «  Il faut qu’on arrive à sortir du diesel ferroviaire non pas en 2050 comme ça a été prévu mais en 2030-2035  », a déclaré le directeur général de la SNCF. Si la majorité du trafic du groupe ferroviaire transite aujourd’hui par des voies électrifiées, les locomotives diesel représentent encore environ 20 % du parc de la société. «  Chaque jour, 25 % des trains qui circulent sont à traction diesel  », a précisé le dirigeant. Des trains qui le plus souvent desservent des lignes aujourd’hui très menacées. Il faudrait aussi parler des questions techniques car la filière hydrogène est encore loin d’être opérationnelle. Il faudra sans doute encore 30 ou 40 ans d’après les experts pour la maîtriser complètement. En outre,  le bilan énergétique et écologique est loin d’être évident en raison précisément des conditions de production de l’hydrogène. Dernière question, accessoire sans doute, qui va payer car la question de l’endettement de la SNCF est loin d’avoir été traitée entièrement. En l’état actuel des résultats de la SNCF, le financement sera exclusivement l’emprunt !

Les vertus de l’hydrogène (Yann Laval)

Les vertus de l’hydrogène (Yann Laval)  

 

 

Yann Laval, Manager chez IAC Partners, cabinet de conseil en stratégie, souligne les vertus de l’hydrogène comme alternative aux énergies fossiles. Un point de vue intéressant même sil minimise la question de la compétitivité de l’hydrogène et son danger pour l’utilisation par des particuliers.

 

 

« Comparée au charbon et au pétrole, l’électricité produite par les énergies renouvelables est limitée en termes de sociabilité, transportabilité et usabilité, ce qui freine en partie la transition amorcée vers les énergies décarbonées.

L’hydrogène comme vecteur énergétique apparaît aujourd’hui comme l’élément manquant sur la chaîne de valeur, qui, combiné avec d’autres technologies, pourrait faire de la transition énergétique une RÉVOLUTION énergétique.

L’investissement des pays industrialisés dans la filière hydrogène est révélateur de cette tendance (850 M$ investis annuellement par les gouvernements). L’Europe bien que bien placée à l’international, doit renforcer ses investissements dans les infrastructures de production et de transport ainsi que dans le développement de technologies permettant de converger vers des coûts comparables à l’électrique ou au pétrole, grâce aux économies d’échelles.

Pour schématiser, notre modèle énergétique actuel est construit sur une extraction de ressources fossiles de plus en plus rares détenues par un nombre très limité de pays et nécessitant un long acheminement à travers le monde jusqu’à des installations complexes pilotables de manière centralisée.

La transition énergétique vers les énergies renouvelables permet d’alimenter de petites installations locales à partir de ressources elles aussi locales, dont le coût ne dépend d’aucune stratégie ou contexte géopolitique mais dont la disponibilité peut varier en fonction des conditions climatiques (pour le solaire et l’éolien en particulier).

Dans la production, le problème principal ne réside pas dans le fait que le système actuel soit centralisé mais dans le fait que les grandes installations électriques émettent de grandes quantités de CO2.

La réussite de la transition énergétique dépend alors de l’intégration de ces systèmes énergétiques renouvelables et décentralisés.

Le scénario le plus prometteur apparait être un système hybride où coexisteraient un réseau centralisé et des boucles locales de tailles diverses où l’hydrogène aura tout son rôle à jouer :

  • - un moyen stable de stockage sous forme gazeuse afin de pallier à l’intermittence des énergies renouvelables ;
  • - un vecteur de transport d’énergie permettant soit de s’affranchir du réseau électrique dans certaines zones non desservies, soit de bénéficier d’un tampon pour réguler les variations de demande du réseau. Dans la mobilité, les évolutions technologiques de la batterie lui ont permis d’augmenter ses performances et ainsi être intégrée par l’ensemble des constructeurs automobiles dans leurs gammes.

La batterie souffre néanmoins d’inconvénients majeurs pour en faire la seule solution de substitutions aux énergies fossiles :

  • - le poids, qui la rend incompatible avec les véhicules de transport de charge lourde ;
  • - la durée de charge (40 minutes en charge rapide jusqu’à une demi-journée en charge domestique) et la faible autonomie (les batteries électriques se déchargent rapidement) ;
  • - le cout élevé, même si les premiers déploiements permettent de premières économies d’échelle ;
  • - la nécessité de mise en place d’un nouveau réseau d’alimentation sur le territoire ;
  • - mais surtout un problème de puissance installée des réseaux.

Ici aussi, les solutions électriques à hydrogène n’entrent pas en compétition avec les véhicules électriques à batterie, mais viendraient plutôt en complément de l’offre déjà existante : les deux technologies présentent des caractéristiques qui les rendent complémentaires.

La plus faible densité énergétique des batteries les rend plus adaptées à la conduite urbaine tandis que l’hydrogène, avec une meilleure densité énergétique convient mieux aux grandes distances et aux véhicules plus lourds. Le marché devrait donc se développer en priorité dans ce dernier segment, notamment dans les transports publics.

La généralisation de l’hydrogène comme principal vecteur énergétique ne représente pas seulement un défi technologique et industriel mais aussi et surtout un défi politique et social. La position qu’occupera l’hydrogène, d’ici 25 à 30 ans, dans notre paysage énergétique dépend de la volonté du pouvoir politique.

La politique active de l’Allemagne porte sur différentes applications allant de la voiture aux transports publics en passant par l’énergie. La France a présenté le 1er juin 2018 son Plan de Déploiement de l’hydrogène pour la transition énergétique avec pour objectif d’accélérer les premiers déploiements industriels de l’hydrogène décarboné pour en faire un pilier de la transition énergétique à moyen terme.

L’Europe, jusqu’ici majoritairement favorable aux batteries, prend conscience de la valeur de l’hydrogène dans la transition énergétique. Les états membres doivent maintenant aller au-delà des initiatives nationales et s’engager ensemble vers l’hydrogène, catalyseur de la transition vers un système énergétique décarboné. »

 

Hydrogène : la solution ?

Hydrogène : la solution ?

 

 

Il est bien difficile de trouver des articles un peu objectifs sur les potentialités des différentes énergies qualifiées de nouvelles. En effet, la plupart du temps la littérature sur chaque source d’énergie est surtout le fait de lobbies qui vantent  les mérites des intérêts qu’ils représentent, c’est le cas du nucléaire évidemment mais tout autant par exemple du lobby du solaire, de l’éolienne ou encore de l’hydrogène. Un article intéressant émanant du blog cavainc.blogspot.com  essaye de faire le point sur le sujet, il évoque les potentialités mais souligne aussi toutes les difficultés qui restent à résoudre en matière de production, aujourd’hui encore trop polluantes et/ou  trop peu compétitives, aussi en matière de transport,  de stockage et ‘utilisation notamment les risques d’explosion.

 

« L’hydrogène apporte à l’électricité la souplesse d’utilisation qui lui fait défaut. En effet, si l’on sait produire de l’électricité de multiples façons, on ne sait pas la stocker efficacement. Les batteries sont coûteuses et n’offrent qu’une autonomie très limitée. L’hydrogène, lui, peut être stocké. Ainsi, avec une réserve d’hydrogène et une pile à combustible, il devient possible de produire de l’électricité n’importe où et n’importe quand, sans être relié au réseau électrique. Grâce à l’hydrogène et à la pile à combustible, électricité et mobilité deviennent plus aisément compatibles.

Petit historique de l’hydrogène

C’est en 1766 que le chimiste britannique Henry Cavendish parvint à isoler une nouvelle substance gazeuse qui brûlait dans l’air, et qu’il appela pour cela “air inflammable”. Pour arriver à ses fins, il recueillit avec beaucoup de soins, dans des vessies de porc, le gaz produit par l’action de l’acide chlorhydrique sur le fer, le zinc, l’étain, et découvrit qu’au moment où le gaz s’échappait de la vessie il brûlait avec une même flamme bleue pour chacun des échantillons dès qu’on l’allumait.

L’hydrogène doit son nom au chimiste français Antoine-Laurent de Lavoisier, qui effectua peu de temps après en 1781 la synthèse de l’eau. En 1804 le Français Louis-Joseph Gay-Lussac et l’Allemand Alexander von Humboldt démontrèrent conjointement que l’eau est composée d’un volume d’oxygène pour deux volumes d’hydrogène, et c’est en 1839 que l’Anglais William R. Grove découvrît le principe de la pile à combustible : il s’agit d’une réaction chimique entre l’hydrogène et l’oxygène avec production simultanée d’électricité, de chaleur et d’eau.

Dans les années 1939-1953 l’Anglais Francis T. Bacon fît progresser les générateurs chimiques d’électricité, qui permirent la réalisation du premier prototype industriel de puissance, et à partir de 1960 la NASA utilisa la pile à combustible pour alimenter en électricité ses véhicules spatiaux (programmes Apollo et Gemini).

 

Une petite molécule pleine d’énergie

La molécule d’hydrogène que nous utilisons le plus couramment est composée de deux atomes d’hydrogène (H2). Incolore, inodore, non corrosive, cette molécule a l’avantage d’être particulièrement énergétique : la combustion de 1 kg d’hydrogène libère environ 3 fois plus d’énergie qu’1 kg d’essence (soit 120 MJ/kg contre 45 MJ/kg pour l’essence). En revanche, comme l’hydrogène est le plus léger des éléments, il occupe, à poids égal, beaucoup plus de volume qu’un autre gaz. Ainsi, pour produire autant d’énergie qu’avec 1 litre d’essence, il faut 4,6 litres d’hydrogène comprimé à 700 bars. Ces volumes importants sont une contrainte pour le transport et le stockage sous forme gazeuse.

Comme de nombreux combustibles, l’hydrogène peut s’enflammer ou exploser au contact de l’air. Il doit donc être utilisé avec précaution. Mais la petitesse de ses molécules lui permet de diffuser très rapidement dans l’air (quatre fois plus vite que le gaz naturel), ce qui est un facteur positif pour la sécurité.

 

Une technologie d’avenir déjà ancienne

Le développement de la filière hydrogène repose en grande partie sur la technologie de la pile à combustible (PAC). Son principe n’est pas nouveau mais, s’il paraît simple, sa mise en œuvre est complexe et coûteuse, ce qui a interdit sa diffusion dans le grand public pendant longtemps. Aujourd’hui, des progrès ont été réalisés et les applications envisageables sont nombreuses.

Les enjeux sont immenses, notamment dans le cas des transports, aujourd’hui exclusivement dépendants des énergies fossiles non renouvelables et très polluantes. Des véhicules électriques alimentés par une pile à combustible fonctionnant à l’hydrogène pourront remplacer avantageusement nos véhicules actuels : de nos voitures ne s’échappera plus que de l’eau ! Les constructeurs automobiles ont déployé depuis 2008 les premières applications de l’hydrogène dans les “flottes captives” : bus et véhicules utilitaires ont en effet un point de passage ou de stationnement obligé, ce qui facilite le ravitaillement. Les premières voitures particulières pourraient, quant à elles, commencer à pénétrer le marché entre 2010 et 2020.

Déjà, la micro-PAC produit les quelques watts nécessaires à l’alimentation d’appareils portables (téléphones, ordinateurs…), en multipliant par 5 leur autonomie par rapport aux systèmes actuels et permettant une recharge en un instant et n’importe où.

Les applications stationnaires d’une PAC capable de produire par exemple 1 MW sont également intéressantes. Elles pourraient être commercialisées à l’horizon 2010. Dans les habitations, l’hydrogène sera ainsi tout à la fois source de chaleur et d’électricité. Il permettra, de plus, d’alimenter en électricité les relais isolés qui ne peuvent être raccordés au réseau (sites montagneux, mer…).

Sur ce terrain, il peut devenir le parfait complément des énergies renouvelables. En effet, les énergies solaire ou éolienne ont l’inconvénient d’être intermittentes. Grâce à l’hydrogène, il devient possible de gérer ces aléas : en cas de surproduction, l’électricité excédentaire peut servir à produire de l’hydrogène ; lorsque la production est insuffisante, l’hydrogène peut à son tour être converti en électricité.

Les potentialités de ce gaz ne se limitent pas à la production d’électricité. Il peut également fournir de l’énergie par combustion. C’est déjà le cas dans le domaine spatial, où il sert à la propulsion des fusées. Il pourrait entrer également dans la composition de gaz de synthèse, ce qui permettrait d’obtenir des carburants plus énergétiques que les carburants actuels.

 

Présent partout… mais disponible nulle part

L’hydrogène est extrêmement abondant sur notre planète. Chaque molécule d’eau (H2O) en contient deux atomes. Or, l’eau couvre 70 % du globe terrestre. On trouve également de l’hydrogène dans les hydrocarbures qui sont issus de la combinaison d’atomes de carbone et d’hydrogène. De même la biomasse (organismes vivants, animaux ou végétaux) est donc une autre source potentielle d’hydrogène.

Mais bien qu’il soit l’élément le plus abondant de la planète, l’hydrogène n’existe pratiquement pas dans la nature à l’état pur. Il pourrait donc être converti en énergie de façon inépuisable… à condition de savoir le produire en quantité suffisante.

Il a heureusement l’avantage de pouvoir être produit à partir des trois grandes sources : fossile, nucléaire, biomasse. Mais pour être économiquement et écologiquement viable, sa production doit répondre à trois critères :

- la compétitivité : les coûts de production ne doivent pas être trop élevés

- le rendement énergétique : la production ne doit pas nécessiter trop d’énergie

- la propreté : le processus de fabrication doit être non polluant sous peine d’annuler l’un des principaux atouts de l’hydrogène.

Plusieurs méthodes sont aujourd’hui opérationnelles, mais aucune ne répond pour l’instant parfaitement à ces trois critères. Les coûts de production restent notamment très élevés, ce qui est un obstacle pour des utilisations massives. De nouvelles voies prometteuses sont en cours d’élaboration.

 

La production actuelle

Si l’hydrogène n’est quasiment pas utilisé dans le domaine de l’énergie, il est une des matières de base de l’industrie chimique et pétrochimique. Il est utilisé notamment pour la production d’ammoniac et de méthanol, pour le raffinage du pétrole ; il est également employé dans les secteurs de la métallurgie, de l’électronique, de la pharmacologie ainsi que dans le traitement de produits alimentaires. Pour couvrir ces besoins, 50 millions de tonnes d’hydrogène sont déjà produits chaque année. Mais si ces 50 millions de tonnes devaient servir à la production d’énergie, elles ne représenteraient que 1,5 % des besoins mondiaux d’énergie primaire. Utiliser l’hydrogène comme vecteur énergétique suppose donc d’augmenter énormément sa production.

 

Production d’hydrogène à partir des énergies fossiles

Aujourd’hui, 95 % de l’hydrogène est produit à partir des combustibles fossiles par reformage : cette réaction chimique casse les molécules d’hydrocarbures sous l’action de la chaleur pour en libérer l’hydrogène. Le vaporeformage du gaz naturel est le procédé le plus courant : le gaz naturel est exposé à de la vapeur d’eau très chaude, et libère ainsi l’hydrogène qu’il contient.

Mais la production d’hydrogène par reformage a l’inconvénient de rejeter du gaz carbonique (CO2) dans l’atmosphère, principal responsable de l’effet de serre. Pour éviter cela, la production d’hydrogène à partir de combustibles fossiles supposerait donc d’emprisonner le gaz carbonique par des techniques qui doivent faire l’objet de développements (on envisage, par exemple, de réinjecter le gaz carbonique dans les puits de pétrole épuisés).

L’hydrogène produit à partir du gaz naturel est le procédé le moins cher. Mais son prix de revient reste le triple de celui du gaz naturel. Comme ce mode de production est polluant et que les ressources en énergies fossiles sont appelées à décroître, diversifier les modes de production s’avère indispensable.

 

Production de l’hydrogène par décomposition de l’eau

Une voie possible consiste à dissocier les atomes d’oxygène et d’hydrogène combinés dans les molécules d’eau (selon la réaction H2O —> H2 + 1/2 O2). Cette solution est la plus intéressante en termes d’émission de gaz à effet de serre…

à condition toutefois d’opérer cette dissociation à partir de sources d’énergie elles-mêmes non émettrices de CO2.

Parmi les procédés envisageables, deux sont actuellement à l’étude : l’électrolyse et la dissociation de la molécule d’eau par cycles thermochimiques.

L’électrolyse permet de décomposer chimiquement l’eau en oxygène et hydrogène sous l’action d’un courant électrique. La production d’hydrogène par électrolyse peut se faire dans de petites unités réparties sur le territoire national. Pour être rentable, ce procédé exige de pouvoir disposer de courant électrique à très faible coût. Actuellement, la production d’hydrogène par électrolyse coûte 3 à 4 fois plus cher que la production par reformage du gaz naturel. Elle souffre de plus d’un mauvais rendement global. L’électrolyse à haute température, qui est une amélioration de l’électrolyse classique, permettrait d’obtenir de meilleurs rendements.

L’autre procédé de décomposition de la molécule d’eau par cycles thermochimiques permet d’opérer la dissociation de la molécule à des températures de l’ordre de 800° à 1000 °C. De telles températures pourraient être obtenues par le biais de réacteurs nucléaires à haute température de nouvelle génération, actuellement à l’étude, ou de centrales solaires.

 

Production directe à partir de la biomasse

La biomasse est une source de production d’hydrogène potentiellement très importante. Elle est constituée de tous les végétaux (bois, paille, etc.) qui se renouvellent à la surface de la Terre. L’hydrogène est produit par gazéification, laquelle permet l’obtention d’un gaz de synthèse (CO + H2). Après purification, celui-ci donne de l’hydrogène. Cette solution est attrayante car la quantité de CO2 émise au cours de la conversion de la biomasse en hydrogène est à peu près équivalente à celle qu’absorbent les plantes au cours de leur croissance ; l’écobilan est donc nul.

Un jour, il sera peut-être possible de produire de l’hydrogène à partir de bactéries et de micro-algues. On a en effet découvert récemment que certains de ces organismes avaient la particularité de produire de l’hydrogène sous l’action de la lumière. Mais ce procédé n’en est aujourd’hui qu’au stade du laboratoire.

Pour que l’hydrogène puisse réellement devenir le vecteur énergétique de demain, il faut qu’il soit disponible à tout moment et en tout point du territoire. Mettre au point des modes de transport, de stockage et de distribution efficaces représente donc un enjeu crucial.

 

Les réseaux de distribution

Dans les schémas actuels, la logique de distribution industrielle est en général la suivante : l’hydrogène est produit dans des unités centralisées, puis utilisé sur site ou transporté par gazoducs. Ce transport permet de connecter les principales sources de production aux principaux points de son utilisation.

Des réseaux de distribution d’hydrogène par gazoducs existent déjà dans différents pays pour approvisionner les industries chimiques et pétrochimiques (environ 1 050 km en France, en Allemagne et au Bénélux sont exploités par Air Liquide). La réalisation de ces infrastructures industrielles démontre que l’on dispose d’une bonne maîtrise de la génération et du transport d’hydrogène. Un bémol cependant : le coût du transport est environ 50 % plus élevé que celui du gaz naturel et une unité de volume d’hydrogène transporte trois fois moins d’énergie qu’une unité de volume de gaz naturel.

Pour distribuer l’hydrogène, des infrastructures de ravitaillement devront être développées.

La mise au point de stations-service ne semble pas poser de problèmes techniques particuliers. Une quarantaine de stations pilotes existent d’ailleurs déjà dans le monde, en particulier aux États-Unis, au Japon, en Allemagne et en Islande. Il faudra cependant du temps pour que ces stations-service couvrent tout le territoire, ce qui risque de freiner le développement de l’hydrogène dans les transports.

Pour pallier cette difficulté, certains constructeurs automobiles envisagent d’utiliser, plutôt que l’hydrogène lui-même, des carburants qui en contiennent. Dans ce cas, l’étape de reformage a lieu à bord du véhicule. L’intérêt du procédé est alors réduit puisque le reformage produit du dioxyde de carbone, principal responsable de l’effet de serre.

 

Le stockage de l’hydrogène

Concevoir des réservoirs à la fois compacts, légers, sûrs et peu coûteux est déterminant puisque c’est précisément cette possibilité de stockage qui rend l’hydrogène particulièrement attractif par rapport à l’électricité.

 

Stockage sous forme liquide

Conditionner l’hydrogène sous forme liquide est une solution a priori attrayante. C’est d’ailleurs sous cette forme qu’il est utilisé dans le domaine spatial. Mais c’est, après l’hélium, le gaz le plus difficile à liquéfier. Cette solution entraîne une dépense énergétique importante et des coûts élevés qui rendent son application plus difficile pour le grand public.

 

Stockage gazeux sous haute pression

Le conditionnement sous forme gazeuse est une option prometteuse. Les contraintes sont toutefois nombreuses.

Léger et volumineux, un tel gaz doit être comprimé au maximum pour réduire l’encombrement des réservoirs. Des progrès ont été faits : de 200 bars, pression des bouteilles distribuées dans l’industrie, la pression est passée à 350 bars aujourd’hui, et les développements concernent maintenant des réservoirs pouvant résister à des pressions de 700 bars. Mais cette compression a un coût. De plus, même comprimés à 700 bars, 4,6 litres d’hydrogène sont encore nécessaires pour produire autant d’énergie qu’avec 1 litre d’essence.

Le risque de fuite gazeuse doit également être pris en considération compte tenu du caractère inflammable et explosif de ce gaz dans certaines conditions. Or, en raison de la petite taille de sa molécule, l’hydrogène est capable de traverser de nombreux matériaux, y compris certains métaux. Il en fragilise, de plus, certains en les rendant cassants.

L’étude du stockage haute pression consiste donc, pour l’essentiel, à éprouver la résistance des matériaux à l’hydrogène sous pression. Ces matériaux doivent être résistants mais relativement légers (mobilité oblige). Les réservoirs métalliques, utilisés actuellement, se révèlent encore coûteux et lourds au regard de la quantité de gaz qu’ils peuvent emporter. Des réservoirs non plus métalliques mais en matériaux polymères sont en cours d’élaboration pour répondre à ces contraintes.

 

Stockage sous basse pression

Une autre solution consisterait à stocker l’hydrogène dans certains matériaux carbonés ou dans certains alliages métalliques capables d’absorber l’hydrogène et de le restituer lorsque cela est nécessaire. Ce mode de stockage fait actuellement l’objet de nombreuses études.

 

Les différentes filières technologiques

Il existe plusieurs types de piles à combustible qui se différencient par leur électrolyte. Ce dernier définit la température de fonctionnement de la pile et, de fait, son application. Il y a aujourd’hui deux obstacles majeurs au développement des applications commerciales des piles : des difficultés d’ordre technologique (compacité insuffisante, usure des matériaux trop rapide, rendements énergétiques perfectibles) et les coûts de fabrication.

Actuellement, les recherches visent à diminuer les coûts tout en améliorant les performances. Elles tournent principalement autour de deux familles de piles à électrolytes solides.

• La pile à membrane échangeuse de protons P.E.M.F.C. (Proton Exchange Membrane Fuel Cell) fonctionne à 80°C avec un électrolyte en polymère. C’est la plus prometteuse pour les transports. Les prototypes actuels pour les automobiles reviennent à 7 600 euros/kW. L’enjeu des recherches est de faire passer leur coût en dessous de 50 euros/kW.

Une variante, la pile à méthanol direct D.M.F.C. (Direct Methanol Membrane Fuel Cell) ou à éthanol direct D.E.F.C. (Direct Ethanol Membrane Fuel Cell), consomme directement l’hydrogène contenu dans l’alcool. Très compacte, elle est promise à l’alimentation de la micro-électronique et de l’outillage portatif.

• La pile à oxyde solide S.O.F.C. (Solid Oxide Fuel Cell), est séduisante pour les applications stationnaires, car sa température de fonctionnement très élevée (de l’ordre de 800°C) permet d’utiliser directement le gaz naturel sans reformage. De plus, la chaleur résiduelle peut être exploitée à son tour directement, ou servir à produire de l’électricité par le biais d’une turbine à gaz. Dans ce cas, le rendement global pourrait atteindre 80%.

 

L’hydrogène en toute sécurité

Bien que couramment utilisé dans l’industrie, l’hydrogène est souvent considéré comme un gaz dangereux. Cette image est essentiellement liée à l’accident du ballon dirigeable Hindenburg en 1937, même si nous savons aujourd’hui que la cause réelle de l’incendie n’était pas liée à l’hydrogène, mais à la nature extrêmement inflammable du vernis qui recouvrait l’enveloppe.

Au début du XXe siècle, l’hydrogène était utilisé couramment par le grand public dans le gaz de ville. Si ce mélange d’hydrogène et d’oxyde de carbone a été délaissé, c’est en raison de l’extrême toxicité de l’oxyde de carbone et non à cause de l’hydrogène.

Certes, l’hydrogène doit être utilisé avec précaution, mais il n’est pas plus dangereux que le gaz naturel : les risques sont simplement différents. Pour assurer une utilisation de l’hydrogène en toute sécurité, il faut essentiellement éviter tout risque de fuite, car l’hydrogène est inflammable et explosif, et toute situation de confinement peut s’avérer dangereuse. Ceci suppose l’utilisation de dispositifs de sécurité adéquats (ventilateurs, détecteurs…). De nombreuses études sont menées à chaque étape de la filière pour pallier ces risques. Le C.E.A. effectue, par exemple, des tests d’éclatement de chute et de perforation sur les réservoirs haute pression qu’il met au point.

Il est important de définir également des règles d’utilisation communes. La mise en place d’une économie hydrogène ne pourra se faire sans une harmonisation des normes et des réglementations au niveau européen et international. En 1990, l’International Standard Organisation (ISO), organisation internationale de normalisation, a ainsi créé un comité technique pour élaborer des normes dans le domaine de la production, du stockage, du transport et des diverses applications de l’hydrogène ; à titre d’exemple, le projet européen E.I.H.P. (European Integrated Hydrogen Project) émet des propositions de réglementation pour les véhicules à hydrogène et les infrastructures de distribution.

 

Inépuisable, respectueux de l’environnement, souple dans son utilisation, l’hydrogène offre de nombreux avantages. Combiné à l’électricité, il devrait permettre de satisfaire les principaux besoins en énergie de l’homme. Face à la pénurie des énergies fossiles qui se profile, l’intérêt de la filière hydrogène est incontestable. Mais avant que l’hydrogène n’entre dans notre vie quotidienne, des progrès doivent être faits à chaque étape de la filière : production, transport, stockage, utilisation.

/cavainc.blogspot.com




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