La fabrication d'hydrogène

N’étant pas lui-même une source d’énergie primaire, l’hydrogène doit être fabriqué avant son utilisation. On peut produire l’hydrogène à partir de nombreuses sources d’énergie, ce qui a un intérêt pour la diversification énergétique :

· à partir de sources d’énergie fossiles (gaz naturel, charbon, essence, uranium), par :
- des procédés de réformage. C’est le cas de 95 % de l’hydrogène produit aujourd’hui. Le procédé le plus courant est le reformage du gaz naturel par de la vapeur d’eau surchauffée (vaporeformage). Le méthane CH4 et l’eau donnent de l’hydrogène et du gaz carbonique CO2.
- gazéification du charbon (C+ H2O → H2 + CO).
- électrolyse de l’eau. L’eau H2O est décomposée en hydrogène et oxygène par un courant électrique. L’électricité peut elle-même être produite à partir de ressources fossiles (centrales à charbon ou nucléaires par exemple) ou renouvelables.

Le CO2 qui est émis par ces procédés pourrait à l’avenir être capturé et stocké dans des réservoirs souterrains.

· à partir de ressources renouvelables. Ceci inclus :
- la production par électrolyse de l’eau si l’électricité provient d’une source renouvelable (éolien, photovoltaïque).
- les procédés à partir de biomasse (gazéification, pyrolyse). le bois et les déchets végétaux, comme la paille, peuvent être gazéifiés en gaz de synthèse (H 2 + CO). Comme on utilise des plantes qui se renouvellent, le bilan en émissions de CO2 est neutre. La seule limite est la quantité de biomasse disponible !
- les procédés futuristes comme la décomposition thermochimique de l’eau à haute température (800/1 000° C) ; la production par des microorganismes comme les micro algues qui sous l’effet de la lumière produisent de l’hydrogène ; ou encore la production photoélectrochimique où la photolyse de l’eau permettrait de produire de l’hydrogène directement à partir de la lumière solaire.


	La pile à hydrogène

FABRICATION ET COMBUSTION DE L'HYDROGENE A PARTIR DE L'EAU

BILAN ENERGETIQUE

1. Fabrication de l’hydrogène

H2O à H2 + 1/2 O2

H2O c’est 2 liaisons H-O ; chaque H-O a une énergie molaire de 460 kj

D’où 460 x 2 = 920 kj pour rompre une mole d’eau (côté gauche de l’équation).

La recomposition H-H à H2 (côté droit de l’équation) va libérer 432 kj et la recomposition 1/2 O-O à 1/2 O2 va libérer 1/2 494 kj soit 247 kj

Solde : 920 — 432- 247 = 241 kj consommés pour craquer une mole d’eau et fabriquer ainsi 2 g d’hydrogène ; soit 120500 kj pour fabriquer 1 kg d’hydrogène

2. Combustion de l’hydrogène

H2 + 1/2 O2 à H20

H2 à H-H en consommant 432 kj et 1/2 O2 à 1/2 O-O en consommant 1/2 494 = 247 kj

Au total le côté droit de l’équation consomme donc : 432 + 247 = 679 kj pour la combustion de 2 g d’hydrogène

La recomposition de l’eau (côté gauche de l’équation) 2 H-O à H2O va libérer 2 x 460 kj = 920 kj

Solde de la combustion = 920 — 679 = 241 kj pour 2g d’hydrogène brûlé soit 120500 kj /kg d’hydrogène

La fabrication de l’hydrogène consomme donc autant d’énergie que la combustion en restituera. Le principe de l’état initial et de l’état final permet de prévoir ce résultat sans aucun calcul.

Mais la transformation en énergie mécanique de l’énergie calorifique produite par la combustion va subir le rendement de Carnot (2^ème principe de la thermodynamique) soit une perte qui se situe autour de 2/3, au mieux 40 ou 50% si l’on fait de la co-génération. Cet aspect peut cependant être oublié car tous les combustibles connaissent ce handicap : il n’est pas propre à l’hydrogène.

NB : Le calcul est le même et aboutit exactement au même résultat si l’on procède par électrolyse

Hydrogène

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Hydrogène

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Informations générales

Nom, Symbole, Numéro

Hydrogène, H, 1

Série chimique

Non-métaux

Groupe, Période, Bloc

1, 1, s

Masse volumique

0,08988 g·l^-1,

0,0708 g·ml^-1 (liquide, -253 °C),

0,0706 g·ml^-1 (solide, -262 °C)¹

N° CAS

12385-13-6 ²

Propriétés atomiques

Masse atomique

1,00794 ± 0,00007 u¹

Rayon atomique (calc)

25 pm (53 pm)

Rayon de covalence

0,31 ± 0,05 Å ³

Rayon de van der Waals

120 pm⁴

Configuration électronique

1s¹

Électrons par niveau d'énergie

État(s) d'oxydation

-1, +1

Oxyde

amphotère

Structure cristalline

Hexagonale

Divers

Électronégativité (Pauling)

2,2

Énergies d'ionisation⁵

1^re : 13,598443 eV

Isotopes les plus stables

iso	AN	Période	MD	Ed	PD
				MeV
¹H	99,985 %	stable avec 0 neutrons
²H	0,015 %	stable avec 1 neutrons
³H	traces {syn.}	12,33 a	β^-	0,019	³He

Unités du SI & CNTP, sauf indication contraire.

Cet article concerne l'élément atomique hydrogène. Pour l'hydrogène gazeux (H₂), voir Dihydrogène.

L'hydrogène est un élément chimique de symbole H et de numéro atomique 1.

L'hydrogène est le principal constituant du Soleil et de la plupart des étoiles, dont l'énergie provient de réactions de fusion thermonucléaire de l'hydrogène.

Le nom hydrogène est composé par le préfixe « hydro », du grec ὕδωρ (hudôr) signifiant « eau », et par le suffixe « gène », du grec γεννᾰν (gennen), « engendrer ». Ce nom a été inventé par Lavoisier pour désigner le gaz appelé à l'époque « air inflammable » et qui avait été mis en évidence par Cavendish en 1766 (il s'agit du gaz de formule chimique H₂ dont le nom scientifique est désormais dihydrogène).

Dans le langage courant, on appelle encore très fréquemment « hydrogène », le dihydrogène. Pour les propriétés relatives à ce gaz (propriétés chimiques, production industrielle, stockage…) voir l'article dihydrogène.

Sommaire

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· 1 L'atome d'hydrogène

· 2 Abondance

· 3 Fusion nucléaire de l'hydrogène

· 4 L'hydrogène solide

o 4.1 Recherche

· 5 L'hydrogène métallique

· 6 Composés chimiques de l'hydrogène

o 6.1 Les composés covalents

o 6.2 L'ion hydrogène H⁺ ou proton

o 6.3 Les hydrures

o 6.4 Les réactions acido-basiques

o 6.5 La liaison hydrogène

· 7 Isotopes

· 8 Mécanique quantique

· 9 Voir aussi

o 9.1 Articles connexes

o 9.2 Notes et références

o 9.3 Liens externes

L'atome d'hydrogène [modifier]

L'hydrogène est l'élément chimique le plus simple ; son isotope le plus commun est constitué seulement d'un proton et d'unélectron. L'hydrogène est ainsi le plus léger atome existant. Comme il ne possède qu'un électron, il ne peut former qu'une liaison covalente : c'est un atome univalent.

Cependant, l'hydrogène solide peut être métallique lorsqu'il est sous très haute pression. Il cristallise alors avec une liaison métallique (voir hydrogène métallique). Dans le tableau périodique des éléments, il est d'ailleurs dans la colonne des métaux alcalins. N'étant pas présent dans cet état sur Terre, il n'est toutefois pas considéré comme un métal en chimie.

Abondance [modifier]

L'hydrogène est l'élément le plus abondant de l'Univers : 75 % en masse et 92 % en nombre d'atomes. Il est présent en grande quantité dans les étoiles, les planètes gazeuses, il est aussi le composant principal des nébuleuses et du gaz interstellaire.

Dans la croûte terrestre, l'hydrogène ne représente que 0,22 % des atomes, loin derrière l'oxygène (47 %) et le silicium(27 %)⁶. Il est rare également dans l'atmosphère terrestre, puisque le dihydrogène ne représente en volume que 0,55 ppm des gaz atmosphériques. Sur Terre, la source la plus commune d'hydrogène est l'eau dont la molécule est constituée de deux atomes d'hydrogène et d'un atome d'oxygène ; l'hydrogène est surtout le principal constituant (en nombre d'atomes) de toute matière vivante, puisqu'il est présent, associé au carbone dans tous les composés organiques. par exemple, l'hydrogène représente 63 % des atomes du corps humain⁶.

Sous des très faibles pressions, comme celles qui existent dans l'espace, l'hydrogène a tendance à exister sous forme d'atomes individuels, simplement parce qu'il est alors improbable qu'ils entrent en collision pour se combiner. Les nuages de dihydrogène sont à la base du processus de la formation des étoiles.

Fusion nucléaire de l'hydrogène [modifier]

L'hydrogène présent en grandes quantités dans le cœur des étoiles est une source d'énergie via les réactions de fusion nucléaire, qui combinent 4 noyaux d'atomes d'hydrogène (4protons) pour former un noyau d'atome d'hélium. Les deux voies de cette fusion nucléaire naturelle sont la chaîne proton-proton, de Eddington, et le cycle carbone-azote-oxygènecatalytique, de Bethe et von Weizsäcker.

La fusion nucléaire réalisée dans les bombes à hydrogène ou bombes H, sont des réactions concernant des isotopes intermédiaires de la fusion (de l'hydrogène en hélium) en cours dans les étoiles : isotopes lourds de l'hydrogène, hélium 3, lithium...
En effet, dans une bombe H les réactions nucléaires ne durent que quelques dizaines de nanosecondes, ce qui ne permet que des réactions en une étape unique. Or, la transformation de l'hydrogène en hélium se fait en plusieurs étapes, dont la première, la réaction d'un proton, est extrêmement lente.

L'hydrogène solide [modifier]

L'hydrogène solide est l'état solide de l'hydrogène, obtenu en diminuant la température en dessous du point de fusion de l'hydrogène, situé à 14,01 K (-259,14 °C). L'état solide fut obtenu pour la première fois en 1899 par James Dewar. Ce dernier publia ses travaux sous le titre "Sur la solidification de l'hydrogène" dans les Annales de chimie et de physique, 7^esérie, volume 18, Octobre 1899.⁷ ⁸

Recherche [modifier]

§ 1972 - The experimental determination of the melting characteristics of solid hydrogen ⁹

L'hydrogène métallique [modifier]

Article détaillé : Hydrogène métallique.

L'hydrogène métallique est une phase de l'hydrogène qui survient lorsqu'il est soumis à une très forte pression et à de très basses températures. C'est un exemple de matière dégénérée. D'aucuns estiment qu'il y a un intervalle de pressions (autour de 400 GPa) tel que l'hydrogène métallique est liquide, même à de très basses températures^10,11.

Composés chimiques de l'hydrogène [modifier]

Les composés covalents [modifier]

L'atome d'hydrogène peut engager son unique électron pour former une liaison covalente avec de nombreux atomes non-métalliques.

Les composés les plus connus sont :

§ la molécule de dihydrogène H₂ ;

§ la molécule d'eau H₂O ;

§ les molécules d'hydrocarbures C_xH_y.

L'hydrogène est également présent dans toutes les molécules organiques, où il est lié principalement à des atomes de carbone, d'oxygène et d'azote.

L'ion hydrogène H⁺ ou proton [modifier]

L'atome d'hydrogène peut perdre son unique électron pour donner l'ion hydrogène H⁺.

On le désigne alors couramment par le nom de proton, étant donné qu'en perdant son électron l'atome est réduit à son noyau, et que dans le cas de l'isotope le plus abondant ¹H ce noyau n'est constitué que d'un proton. Cette appellation n'est pas rigoureusement correcte si l'on tient compte de la présence, certes discrète (inférieure à 0,02 %), des autres isotopes…

Son rayon est très petit : environ 1,5×10⁻¹⁵ m contre 5×10⁻¹¹ m pour l'atome.

Il n'existe pas à l'état libre mais est toujours lié au nuage électronique d'une molécule. En solution aqueuse (telle H₂O) il est solvaté par des molécules d'eau ; on peut en simplifiant considérer qu'il est capté par une molécule d'eau, formant un ion oxonium H₃O⁺.

Les hydrures [modifier]

L'hydrogène se combine avec la plupart des autres éléments car il possède une électronégativité moyenne (2,2) et peut ainsi former des composés avec des éléments métalliques ou non-métalliques. Les composés qu'il forme avec les métaux sont appelés hydrures dans lesquels il se trouve sous forme d'ions H⁻ qui parfois n'existent qu'en solution. Dans les composés avec les non-métalliques, l'hydrogène forme des liaisons covalentes, car l'ion H⁺, qui n'est rien d'autre qu'un simple proton, a une trop forte tendance à s'associer avec les électrons. Dans les acides en solution aqueuse, il se forme des ions H₃O⁺, association du proton et d'une molécule d'eau.

Les réactions acido-basiques [modifier]

Article détaillé : Réaction acido-basique.

L'hydrogène joue un rôle primordial dans une réaction acido-basique (au sens de la théorie de Bronsted-Lowry) puisque cette dernière correspond formellement à l'échange d'un ion hydrogène H⁺ entre deux espèces, la première (l'acide) libérant H⁺ par rupture d'une liaison covalente, et la deuxième (la base) captant cet H⁺ par formation d'une nouvelle liaison covalente :

$\begin{matrix} \mbox{AH} &+& \mbox{B} &=& \mbox{A}^- &+& \mbox{BH}^+ \\ \mbox{acide1} && \mbox{base2} && \mbox{base1} && \mbox{acide2} \end{matrix}$

La liaison hydrogène [modifier]

Article détaillé : Liaison hydrogène.

La liaison hydrogène est une interaction électrostatique entre l'hydrogène lié chimiquement à un atome électronégatif A et un autre atome électronégatif B (A et B étant typiquementO, N ou F en chimie organique).

Cette liaison joue un rôle important en chimie organique, puisque les atomes d'oxygène O, d'azote N ou de fluor F sont susceptibles de créer des liaisons hydrogène, mais aussi en chimie inorganique, entre les alcools et les alkoxydes métalliques.

Isotopes [modifier]

Les 3 isotopes de l'hydrogène.

L’hydrogène est le seul élément dont chaque isotope porte un nom spécifique, car leur différence de masse relativement à l'hydrogène est significative : du simple au double ou au triple, ce qui explique que, contrairement à ce qui vaut pour les isotopes en général, ces différences peuvent influencer les propriétés chimiques du deutérium ou du tritium par rapport au protium (effet isotopique). L'eau lourde (D₂O) est par exemple toxique (à forte dose) pour de nombreuses espèces : en raison de la grande différence de masse entre les isotopes la cinétique des réactions en solution aqueuse « lourde » est considérablement ralentie…

Les isotopes connus de l'hydrogène sont :

§ l’hydrogène léger ou protium (¹H) ; c'est le plus abondant (~99,98 %). Simplement constitué d'un proton et ne possèdant donc pas de neutron, c'est un isotope stable.

§ le deutérium (²H ou D) ; beaucoup moins abondant (~0,015 % en moyenne ; de 0,0184 à 0,0082 % de l'hydrogène naturel), il possède un proton et un neutron et c'est un isotope stable. Présent essentiellement (sur Terre) sous forme d'eau deutérée HDO (eau demi-lourde).

§ le tritium (³H ou T) ; Constitué d’un proton et de deux neutrons, il n'est présent qu'en infime quantité (un atome de tritium pour 10¹⁸ atomes d’hydrogène). Instable, c'est le seul isotope radioactif de l’hydrogène, dont il possède semble-t-il les mêmes propriétés chimiques et physiques si ce n'est qu'il se transforme en ³He par émission d'un électron (radioactivité β⁻). ²H et ³H peuvent participer à des réactions de fusion nucléaire…
Sa radiotoxicité est réputée très faible lorsqu'il est présent sous forme HTO (eau tritiée), elle est moins connue et à ce jour moins bien comprise lorsqu'elle est émise par une forme organique (les études présentent des résultats contradictoires ou très variables selon leurs protocoles expérimentaux)¹². Dans l’environnement, le tritium peut prendre la place de l’hydrogène dans toutes les molécules où il est présent, y compris dans les molécules « biologiques » et jusque dans l'ADN où il peut être cause de cassure de l'ADN, de mutations ou d'apoptoses cellulaires. Le tritium est un élément rare ce qui explique une concentration de l'eau ou des tissus généralement très faible (hors contaminations accidentelles liées à une source anthropique de tritium).

§ le quaternium ou le tétradium (⁴H ou Q) est l'isotope le plus instable de l'hydrogène, à émission de neutron¹³. Sa demi-vie est ultracourte : 1,39 × 10⁻²² secondes ¹⁴.

§ l'hydrogène 7, l'isotope le plus riche en neutrons jamais observé. Sa demi-vie est de l'ordre de 10⁻²¹ secondes ¹⁵.

Mécanique quantique [modifier]

L'atome d'hydrogène est l'atome le plus simple qui existe. C'est donc celui pour lequel la résolution de l'équation de Schrödinger, en mécanique quantique, est la plus simple. L'étude de ce cas est fondamental, puisqu'il a permis d'expliquer les différentes liaisons chimiques, avec la théorie des orbitales moléculaires et la théorie VSEPR.

Article détaillé : Atome d'hydrogène.

Voir aussi [modifier]

Articles connexes [modifier]

§ Dihydrogène (H₂)

§ Hydrogène liquide

§ Hydrogénoduc

§ Macro-élément

§ Hydrogénation en chimie organique

§ Stockage d'hydrogène

§ Hydrogène métallique

§ Physique du solide

§ Chronologie des technologies de l'hydrogène

§ Pile à combustible

Notes et références [modifier]

§ (en) Cet article est partiellement ou en totalité issu de l’article de Wikipédia en anglais intitulé « Solid hydrogen » (voir la liste des auteurs) (voir aussi la page de discussion).

1. ↑ ^a et b (en) David R. Lide, CRC Handbook of Chemistry and Physics, CRC Press Inc, 2009, 90^e éd., Relié, 2804 p. (ISBN 978-1-420-09084-0)

2. ↑ Base de données Chemical Abstracts interrogée via SciFinder Web le 15 décembre 2009 (résultats de la recherche)

3. ↑ (en) Beatriz Cordero, Verónica Gómez, Ana E. Platero-Prats, Marc Revés, Jorge Echeverría, Eduard Cremades, Flavia Barragán et Santiago Alvarez, « Covalent radii revisited », dans Dalton Transactions, 2008, p. 2832 - 2838 [lien DOI [archive]]

4. ↑ (fr) Paul Arnaud, Brigitte Jamart, Jacques Bodiguel, Nicolas Brosse, Chimie Organique 1^er cycle/Licence, PCEM, Pharmacie , Cours, QCM et applications, Dunod, 8 juillet 2004, Broché, 710 p. (ISBN 2100070355)

5. ↑ (en) David R. Lide, CRC Handbook of Chemistry and Physics, TF-CRC, 2006, 87^e éd. (ISBN 0849304873), p. 10-202

6. ↑ ^a et b p.6 Reginald H. Garrett, Charles M. Grisham, B. Lubochinsky, Biochimie, De Boeck Université, 2000, 1292 p. (ISBN 2744500208)

7. ↑ Correspondence and General A-I DEWAR/Box D I [archive]

8. ↑ James Dewar, « Sur la solidification de l'hydrogène », dans Annales de Chimie et de Physique, vol. 18, 1899, p. 145–150 [texte intégral [archive]]

9. ↑ 1972 - Melting Characteristics and Bulk Thermophysical Properties of Solid Hydrogen [archive]

10. ↑ Ashcroft N.W., (en)The hydrogen liquids. [archive] J.Phys. A 12, A129-137 (2000).

11. ↑ Bonev, S.A., Schwegler, E., Ogitsu, T., and Galli, G., (en)A quantum fluid of metallic hydrogen suggested by first principles calculations. [archive] Nature 431, 669 (2004).

12. ↑ Fiche radiotoxicologique « tritium » du CEA, version 12-2005, rédigée par Annabelle Comte

13. ↑ Hydrogen-4 and Hydrogen-5 from t+t and t+d transfer reactions studied with a 57.5-MeV triton beam, G. M. Ter-Akopian et al., Nuclear Physics in the 21st Century: International Nuclear Physics Conference INPC 2001, American Institute of Physics Conference Proceedings 610, pp. 920-924, DOI:10.1063/1.1470062 [archive].

14. ↑ p. 27, The NUBASE evaluation of nuclear and decay properties [archive], G. Audi, O. Bersillon, J. Blachot, and A. H. Wapstra, Nuclear Physics A 729 (2003), pp. 3 ;128.

15. ↑ [pdf] Communiqué de presse [archive] Découverte de l'hydrogène 7, le système nucléaire le plus exotique jamais observé. – 19 novembre 2007

Liens externes [modifier]

Sur les autres projets Wikimédia :

· Hydrogène sur Wikimedia Commons(ressources multimédia)

· Hydrogène sur le Wiktionnaire(dictionnaire universel)

§ (fr) www.periodictableonline.org H

§ (en) Images de l'hydrogène et de ses isotopes sous différentes formes

§ (en) 2001 - Properties of solid hydrogen at very low temperatures.

§ (en) Solid hydrogen experiments for atomic propellants

↓

Métaux alcalino-terreux

Hydrogène

Les caractéristiques de l'hydrogène

"L'hydrogène est un gaz connu depuis fort longtemps. En effet les alchimistes l'appelaient l'«air inflammable» et l'obtenaient par traitement de la limaille de fer avec de l'acide sulfurique. Ses propriétés furent précisées par Cavendish en 1766. C'est Lavoisier qui lui donna son nom en 1783 en constatant que sa combustion avec l'oxygène donnait de l'eau.

C'est un gaz incolore, inodore et non toxique. Il est le plus léger de tous les corps dans des conditions normales de température et de pression. Il est quatorze fois moins lourd que l'air, sa densité par rapport à l'air étant de 0,07. En conséquence il a une grande facilité de diffusion à travers les parois métalliques et d'effusion à travers les substances poreuses.

C'est probablement l'élément le plus abondant de l'univers mais ne représente que 0,9% en poids de la croûte terrestre.

La molécule d'hydrogène est très stable thermiquement, ce qui explique sa faible réactivité à basse température. Il est donc nécessaire d'amorcer les réactions à chaud ou utiliser un catalyseur qui favorise sa dissociation.

Il possède le pouvoir calorifique massique le plus élevé: 3,39 thermies par kilogramme, c'est-à-dire sensiblement trois fois celui des hydrocarbures et quatre fois et demie celui du charbon.

C'est après l'hélium, le gaz le plus difficile à liquéfier: sa température de liquéfaction est en effet de - 253 °C. C'est un assez bon conducteur de la chaleur et de l'électricité.
L'hydrogène présente trois inconvénients majeurs:

- son pouvoir calorifique volumique est faible: à l'état gazeux et à la pression atmosphérique, ses rapports avec le méthane et l'essence sont respectivement de 1 à 3 et de 1 à 290. À l'état liquide, ces rapports sont encore de 1à 2,3 avec le méthane liquide et à 3,5 avec l'essence. Ces caractéristiques engendrent des difficultés de stockage,
- son emploi exige certaines précautions en raison de sa faible énergie d'inflammation (0,02 mJ contre 0,44 mJ pour le méthane), en raison de l'étendue de son domaine d'inflammabilité, de 4 à 75 %, et de son aptitude à diffuser par suite de la petitesse de sa molécule,
- son domaine d'inflammabilité est très vaste, de 4 à 75 % en volume.

Enfin il convient de noter que l'hydrogène natif n'existe pas sur la Terre. Il est donc nécessaire de l'extraire d'un certain nombre de corps pour pouvoir en disposer. Ce n'est donc qu'un vecteur secondaire d'énergie."

Office parlementaire d'évaluation des choix scientifiques et technologiques, Les perspectives offertes par la technologie de la pile à combustible. Rapport de MM. Robert Galley et Claude Gatignol, députés (4 juillet 2001) [sur le site de l'Assemblée nationale]. Assemblée nationale: n° 3216 (11ème législature) - Sénat n° 426 (2000-2001).

Enjeux

"L'hydrogène est d'ores et déjà un gaz industriel de la première importance.

Les utilisations industrielles de l'hydrogène

Il est produit environ 45 millions de tonnes d'hydrogène par an dont 10% en Europe. Un certain nombre de grands producteurs d'hydrogène sont des firmes européennes: Air Liquide, Air Products, Linde, Messer Griesheim.

L'hydrogène est couramment utilisé dans un grand nombre de secteurs industriels: dans l'industrie des corps gras, en électronique, comme carburant et dans les industries chimiques.

a - L'industrie des corps gras

Les corps gras insaturés alimentaires (colza, soja, tournesol,...) doivent être hydrogénés afin de les rendre solides à la température ambiante et augmenter leur aptitude à la conservation.

Les corps gras non alimentaires sont également hydrogénés pour fabriquer du savon, des lubrifiants, des peintures et des vernis.

b - L'industrie électronique

L'hydrogène est utilisé pour l'élaboration de cristaux de semi conducteurs de silicium.

c - L'hydrogène carburant

La température de flamme très élevée (2 700°C) atteinte avec l'oxygène l'a fait choisir sous forme liquide comme propulseur des fusées et engins spatiaux.

d - Les industries chimiques

Les utilisations de l'hydrogène sont très variés dans ce domaine :

· synthèse de l'ammoniac par réaction avec l'azote pour fabriquer essentiellement des engrais, mais aussi des explosifs, des matières colorantes ou des résines,
· raffinage: hydrosulfuration des fuels pour éliminer le soufre, hydroraffinage pour améliorer les lubrifiants et pour produire des essences spéciales,
· synthèse du méthanol par réaction du gaz à l'eau pour la fabrication de caoutchoucs, de résines et de produits de base pour la synthèse chimique comme l'acide acétique, le chlorure de méthyle , les esters...
· chimie organique : hydrogénation d'une part d'un certain nombre de matières pour la production de colorants et d'autre part de précurseurs des sulfamides ou des vitamines.
· chimie minérale: production d'eau oxygénée.

Les utilisations de l'hydrogène dans l'industrie sont donc très diversifiées.

Les piles à combustibles ouvrent à ce gaz des perspectives importantes de développement en tant que carburant.

L'hydrogène, carburant des piles à combustible

La fabrication de l'hydrogène

L'hydrogène est actuellement fabriqué par électrolyse ou par reformage qui sont maintenant des techniques bien connues.

L'électrolyse est le procédé de décomposition chimique de l'eau en oxygène et hydrogène sous l'action d'un courant électrique.

La production économique de l'hydrogène par ce procédé exige de pouvoir disposer de courant électrique à très faible coût. C'est notamment le cas au Canada où Hydro-Québec est devenu un important producteur d'hydrogène compte de l'excellente rentabilité de ses centrales hydroélectriques. La France est également très bien placée de ce point de vue grâce à son équipement en centrales nucléaires.

Le reformage pose le problème du produit primaire à transformer en hydrogène.
Un grand nombre de produits pourraient être utilisés: le méthanol, le gaz naturel, l'essence, le gazole, le naphta...

Le méthanol contient beaucoup d'hydrogène et offre un certain nombre d'avantages.
En effet, il possède la molécule la simple chimiquement et qui se «casse» le mieux. Il peut être produit n'importe où et à bon marché. Il est également facile à obtenir à partir de la biomasse.

Mais cette réaction chimique consomme une énergie assez importante et produit du monoxyde et du dioxyde de carbone.

Il présente également l'inconvénient d'être un fluide dangereux et potentiellement toxique pour l'environnement, notamment pour les nappes phréatiques.

Pour ces raisons il ne semble pas pour l'instant être favorablement considéré comme un précurseur possible pour la production de l'hydrogène destiné aux piles à combustible. Cet emploi est ainsi formellement exclu aux Etats-Unis.

Parmi les constructeurs automobiles qui se sont lancés dans la construction de prototypes de véhicules à pile à combustible, seul, apparemment, DaimlerChrysler préconise le reformage du méthanol à bord.

Le choix du produit primaire fera certainement intervenir un certain nombre de considérations comme les contraintes d'environnement, la disponibilité de la matière première, la facilité et la sécurité de son transport, les coûts divers...

On peut estimer qu'il n'y aura sans doute pas «un meilleur» et unique précurseur de l'hydrogène.

Il y en aura certainement plusieurs en fonction d'abord des situations locales et ensuite des choix effectués entre production centralisée et production sur les lieux de consommation.

Outre les deux méthodes classiques de production de l'hydrogène, des recherches sont en cours sur d'autres procédés de fabrication de ce gaz.

On peut ainsi citer les possibilités de production directe à partir de la biomasse, par la dissociation thermique de l'eau dans des réacteurs nucléaires à haute température et par la photosynthèse.

Concernant cette dernière, des scientifiques californiens viennent en effet de démontrer que l'algue verte (Chlamydomonas reinhardtii) peut produire de l'hydrogène.

Comme toutes les plantes vertes, cette algue utilise la photosynthèse pour transformer l'eau et la lumière du soleil en sucres contenant de l'oxygène et de l'hydrogène. Quand la photosynthèse devient impossible, cette algue puise dans ses stocks d'énergie sucrée, ce qui libère l'hydrogène.

Les chercheurs ont montré que ce blocage pouvait être provoqué par un manque en soufre. Il suffirait donc de manipuler la teneur en soufre du milieu de ces algues pour obtenir de l'hydrogène. Cette opération a actuellement un rendement dérisoire et reste expérimentale. De même on peut imaginer que des végétaux modifiés génétiquement soient d'excellents producteurs d'hydrogène.

Compte tenu de la nécessité de produire l'hydrogène en consommant de l'énergie, il faut porter l'attention sur le bilan environnemental de ces différentes filières.

Le bilan environnemental de la production d'hydrogène

C'est une question très importante dans la mesure où il serait envisagé de développer cette production d'hydrogène afin de la substituer de façon progressive aux actuelles sources d'énergie fossiles.

En effet dans cette perspective, il serait primordial de déterminer quelle est (ou sont) la ou les meilleure(s) filière(s) de production dans la mesure où il s'agirait de développer un appareil de production qui n'existe pas à l'heure actuelle. (...)

Il faudrait ainsi établir les outils d'analyse qui permettraient de nourrir un débat le plus objectif possible quant aux impacts sur l'environnement mais aussi aux coûts des différentes filières hydrogène prise dans leur ensemble. (...)

Les tableaux suivants présentent le bilan des émissions de différents polluants issus des filières d'hydrogène comprimé et d'hydrogène liquéfié destiné à un usage dans un véhicule. (...)

On constate le considérable avantage en matière d'émissions de CO2 et de CO de la production d'hydrogène réalisée par électrolyse avec de l'électricité d'origine nucléaire par rapport aux autres modes de production.

La filière de production à partir du gaz naturel est également bien placée, notamment au niveau des émissions des oxydes d'azote et du soufre où elle se révèle même plus avantageuse que la voie précédente.

On remarque aussi que la liquéfaction est une opération plus «coûteuse» en termes d'émissions de polluants que la compression.

Les différents modes de fabrication de l'hydrogène

L'hydrogène posera des problèmes différents selon qu'elle sera produite sur les lieux d'utilisation par reformage ou dans des unités centralisées. Se poseront en outre des problèmes de sécurité.

Le reformage in situ

Il faut distinguer le cas de la génération stationnaire et celui de la génération à bord d'un véhicule.

a - Le reformage stationnaire

La génération stationnaire ne pose pas de gros problèmes dans la mesure où le reformeur du générateur est soit approvisionné en carburant primaire par une dérivation d'un réseau existant ou par des livraisons régulières avec éventuellement un stockage tampon pour assurer la permanence de l'alimentation de l'installation.

La première de ces situations est par exemple celle de la pile de Chelles qui est approvisionnée en gaz naturel par le réseau de Gaz de France comme n'importe quel abonné ordinaire. Dans la seconde, des livraisons du carburant primaire par exemple par camions peuvent être organisées comme sont approvisionnée les stations-service de carburants le long des routes.

b - La reformage à bord d'un véhicule

La génération embarquée d'hydrogène à bord d'un véhicule permet de s'affranchir de la mise en place d'une infrastructure de production, de distribution et de tout système de stockage de ce gaz à bord.

Mais le développement des véhicules équipés d'un reformeur posera le problème de la distribution du carburant précurseur de l'hydrogène.

Il faut cependant distinguer le cas des flottes «captives» qui ont un point de passage ou de stationnement obligés, comme par exemple les bus, et les véhicules des particuliers.

S'agissant des flottes captives, le problème peut être aisément résolu par l'existence d'un dépôt de carburant auquel tous les engins se ravitaillent. On peut utiliser à peu près n'importe quel précurseur pour la fabrication de l'hydrogène par les reformeurs embarqués.

Par contre l'alimentation des véhicules des particuliers nécessiterait un réseau dense de points de ravitaillement.

Les produits actuellement distribués, l'essence et le gazole, pourraient être facilement employés pour faire fonctionner des reformeurs embarqués. Cette disponibilité immédiate n'entraînerait pas de modification du réseau actuel de distribution des carburants. Compte tenu de sa facilité cette solution serait certainement adoptée au moins provisoirement en attendant que soit choisi un autre précurseur de l'hydrogène.

Mais l'adoption de cet autre précurseur rendrait alors nécessaire de créer un réseau de distribution, ce qui entraînerait des investissements considérables.

Le développement des véhicules à pile à combustible conduirait également soit à modifier les raffineries pour produire davantage d'hydrogène ou des essences spécialement adaptées pour le reformage, ou encore tout autre produit comme le méthanol.
De ce point de vue, les distributeurs de produits pétroliers sont les premiers concernés et ils devront obligatoirement être associés à ce choix.

Les compagnies pétrolières et les distributeurs de carburant sont d'ores et déjà très intéressés par les technologies impliquées par le développement des piles à combustible.

Actuellement les compagnies pétrolières poursuivent les actions suivantes :

- partenariats de recherche et de développement avec les constructeurs automobiles,
- participation à des projets de démonstration de véhicules à pile à combustible, par exemple aux Etats-Unis dans le cadre du California Fuel Cell Partnership,
- participation à des travaux de réflexions stratégiques comme par exemple en France dans le cadre du Réseau «pile à combustible» (projet transversal «Système de traction à pile à combustible» ) et en République fédérale d'Allemagne dans le cadre du projet « Transportation energy safety » regroupant le ministère allemand des transports, Aral, B.M.W., Daimler-Chrysler, M.A.N., Shell et Volkswagen.

La plus dynamique de toutes les compagnies pétrolières et la plus impliquée dans ces projets semble être Shell qui a créé une société filiale spécialisée, Shell Hydrogen.
Enfin il faut noter que cette affaire requerrait bien évidemment l'intervention de la puissance publique.

Il sera également nécessaire de pouvoir disposer du même carburant au moins en Europe pour des raisons évidentes de mobilité. Une harmonisation y sera donc obligatoire. Le choix du ou des carburants devra donc faire l'objet d'une concertation et d'une prise de décision à ce niveau.

Il sera par ailleurs obligatoire, dans ce cas de l'adoption d'un nouveau carburant automobile, de maintenir en parallèle, pendant un très grand nombre d'années, le réseau de distribution des carburant classiques compte tenu du temps nécessaire au renouvellement complet du parc européen de véhicules particuliers.

Ce seront donc des décisions particulièrement difficiles à prendre dont l'échéance est pour l'instant impossible à déterminer.

La production centralisée d'hydrogène est l'autre branche de l'alternative.

La production centralisée d'hydrogène

Cette production centralisée peut être réalisée soit dans de grandes unités centralisées soit dans des unités plus petites. L'hydrogène devra ensuite être transporté et pouvoir être stocké.

a - La production en grandes unités centralisées

Une grande centrale de production d'hydrogène comprend trois unités :

- une unité de production, vaporeformeur ou unité d'oxydation partielle,
- une unité de conversion du CO,
- une unité de purification de l'hydrogène.

Les unités actuelles de production d'ammoniac et de méthanol utilisent déjà de telles installations avec de très grandes capacités.

L'hydrogène doit ensuite être transporté et distribué.

b - Le transport de l'hydrogène

L'hydrogène est déjà transporté par voie routière sous forme gazeuse dans des conteneurs et sous forme liquide par camions citernes par tous les producteurs et distributeurs de gaz industriels.

C'est ainsi qu'un camion semi-remorque citerne transporte chaque semaine une cargaison de 50 m3 d'hydrogène entre l'usine d'Air Liquide située à Waziers dans les Ardennes et l'usine de semi-conducteurs de ST Microelectronics de Milan.
Le transport d'hydrogène par canalisations est également une opération courante. Elle permet d'assurer l'approvisionnement de complexes pétrochimiques à partir de sites produisant des excès d'hydrogène.

Il existe de nombreux exemples de telles canalisations en Europe et aux Etats-Unis. Ils sont particulièrement adaptés à l'acheminement de grosses quantités d'hydrogène sur des distances de quelques centaines de kilomètres. On peut ainsi citer à titre d'exemple le réseau de 1 500 kilomètres existant dans le Nord-Est de la France. La République fédérale d'Allemagne possède également plusieurs réseaux de distribution d'hydrogène par canalisations.

Des études de faisabilité sur le transport maritime d'hydrogène liquide ont été réalisées. Les navires utilisés auraient de fortes similitudes avec les actuels méthaniers.

c - La distribution de l'hydrogène

Les stations-service d'hydrogène peuvent être alimentées par un des modes de transport qui a été évoqué.

La mise au point de ce type de station-service ne semble pas poser de problèmes techniques particuliers. Plusieurs de celles-ci ont déjà été construites à l'occasion de projets de démonstration de véhicules à pile à combustible, notamment en République fédérale d'Allemagne.

Les stations-service pourraient aussi constituer de petites unités de production d'hydrogène soit par reformage soit par électrolyse.

Ce type de petite production d'hydrogène est déjà réalisé de façon courante par un certain nombre d'industries utilisatrices de ce gaz comme les verreries, la métallurgie ou l'agro-alimentaire.

Le stockage de l'hydrogène

En matière de stockage, la légèreté de l'hydrogène entraîne des densités massiques, c'est-à-dire un rapport masse d'hydrogène/masse du contenant de l'ordre de quelques pour cent, ce qui est un facteur très pénalisant en poids.

Dans la perspective du développement de véhicules à pile à combustible, si l'on veut éviter les problèmes inhérents au reformage, il sera nécessaire de mettre au point un système de stockage de l'hydrogène sûr et performant.

La masse d'hydrogène à stocker dans ce cas est de l'ordre de 5 kg, ce qui est nécessaire pour une autonomie classique d'environ 500 kilomètres. L'hydrogène doit être stocké avec des contraintes sévères de volume et de masse pour rester compatible avec les dimensions des véhicules.

Le stockage de l'hydrogène peut se faire sous forme comprimée, liquide, dans des micro-billes, par absorption dans un hydrure, enfin par adsorption dans du charbon actif et dans des nanotubes de carbone.

a - Le stockage de l'hydrogène sous forme comprimée

Le stockage sous pression constitue un dispositif très simple, peu coûteux en énergie et capable de délivrer le gaz stocké avec une dynamique et une cinétique largement supérieures aux besoins. Il relève des mêmes techniques que celles utilisées pour le gaz naturel.

Les réservoirs sont techniquement au point. Ils sont constitués d'une vessie servant de barrière à l'hydrogène. Celle-ci est généralement en alliage d'aluminium renforcé par de la fibre de verre imprégnée de résine époxy.

Dans le cadre du programme européen «HYDRO GEN», dont les partenaires sont le C.E.A., P.S.A., Renault et Air Liquide, a été mis au point un réservoir pour le stockage à haute pression, à une pression de 700 bars. La capacité massique de stockage obtenue est de l'ordre de 5,7%, c'est-à-dire 5,7 kg d'hydrogène gazeux stocké pour 100 kg de structure.

b - Le stockage de l'hydrogène sous forme liquide

Du fait de la faible densité de ce gaz, 70,8 kg/m3, le volume correspondant à 5 kg d'hydrogène est d'environ 70 litres. Ce mode de stockage peut donc paraître séduisant d'autant plus que l'hydrogène liquide est aisément disponible dans les pays industrialisés.

Néanmoins, plusieurs inconvénients existent :

- il est nécessaire de maintenir l'hydrogène à une température de - 253 °C. Il faut donc une isolation thermique extrêmement soignée et donc encombrante. Cela n'empêche pas une évaporation parasite mais qui reste cependant contrôlable à un niveau admissible de l'ordre de 3% par jour. Cette évaporation peut ne pas être permanente en réalisant une enceinte pressurisée dotée d'une vanne de décharge: c'est la solution qui a été retenue dans le cadre du projet européen «FEVER»;
- l'énergie nécessaire à la liquéfaction de l'hydrogène représente environ 40% de l'énergie contenue dans le gaz;
- la manipulation de l'hydrogène liquide exige des stations de remplissage automatique complexes et onéreuses mais cependant tout à fait techniquement réalisables.

On possède maintenant des connaissances étendues sur les problèmes posés par le stockage liquide de l'hydrogène grâce au développement des activités spatiales. Mais il faut reconnaître que les coûts et les sujétions de cette voie sont très difficilement applicables à l'automobile.

c - Le stockage de l'hydrogène dans des micro-billes

Ce type de stockage repose sur la double propriété de certains verres d'être étanches à l'hydrogène à froid et poreux à chaud. La résistance mécanique du verre permet d'atteindre des pressions d'éclatement de l'ordre de 1 500 bars avec des micro-billes creuses de 12 microns de diamètre et d'environ 2 microns d'épaisseur.

Cette technique a été essayée dès le début des années 1980. Des essais ont été conduits ont été réalisés par le C.E.A. au début des années 1990.

Pour remplir ces micro-billes, il faut les porter à environ 350°C dans une atmosphère d'hydrogène à une pression d'environ 1 000 bars puis de les laisser refroidir. Les billes peuvent ensuite être sorties de l'enceinte et conservées aussi longtemps que souhaité.

Il est possible avec cette technique de satisfaire au cahier des charges des constructeurs automobiles. Le stockage de 5 kg d'hydrogène peut être réalisé de cette façon avec une enceinte de masse inférieure à 100 kg et de volume inférieur à 300 litres.

Par contre, l'énergie nécessaire pour effectuer ce remplissage représente environ 30% de l'énergie contenue dans le gaz.

Ce type de stockage est intrinsèquement sûr puisqu'il n'y a pas de fuite et que l'éclatement accidentel d'une bille n'entraîne pas de réaction en chaîne.

Le déstockage de l'hydrogène peut se faire soit par réchauffage progressif de tout ou d'une partie des billes soit par leur broyage progressif en particulier par vibrations.

Les densités d'énergie qu'il est possible d'atteindre sont de l'ordre actuellement de 4%. Ce type d'approche pourrait peut-être, compte tenu de ses qualités, se révéler intéressante à terme.

d - Le stockage de l'hydrogène dans des hydrures

Ce type de stockage qui apparaît très prometteur est fondé sur la propriété de certains solides d'absorber des quantités importantes d'hydrogène et de le restituer par dépression ou légère élévation de température. Les recherches sont orientées vers les terres rares, le lanthane notamment, le nickel et le magnésium.

La proportion d'hydrogène absorbé est de l'ordre d'un atome de gaz pour un atome de métal. C'est une réaction réversible exothermique à l'absorption et endothermique à la libération de l'hydrogène.

La capacité gravimétrique du stockage dépend principalement du poids atomique du métal utilisé. De ce point de vue l'utilisation des terres rares est plus intéressante pour une utilisation sur des applications stationnaires que mobiles car elles sont très lourdes. Enfin la chaleur et les énergies d'activation de l'absorption varient en fonction du type d'alliage.

Un grand intérêt de cette technique est que la pression de libération de l'hydrogène peut être calibrée en fonction de l'application.

Malheureusement les alliages capables d'absorber le plus d'hydrogène par unité de poids sont aussi ceux qui demandent des températures très élevées.

Il en est ainsi par exemple pour tous les composés à base de magnésium.

Le magnésium est très intéressant car il a une capacité d'absorption massique de 7%, ce qui est un avantage considérable pour les applications mobiles. Mais il se pose un problème de réversibilité car il est alors nécessaire de chauffer à 500 ou 600°C. Un gain important en température peut être fait en alliant le magnésium au nickel mais on perd alors de la capacité massique. D'autres alliages font l'objet de recherches comme ceux à base de zirconium-manganèse-chrome.

Une autre difficulté est qu'il faut stocker de l'hydrogène très pur car les hydrures ne supportent pas le monoxyde de carbone.

Des hydrures chimiques sont également développés. On peut citer par exemple le sodium borohydride. Les densités théoriques peuvent atteindre 10% en incluant l'eau. Toutefois ces hydrures seraient assez instables. De plus certains de ces hydrures chimiques sont corrosifs ce qui entraîne des difficultés de manipulation. Enfin le contrôle de la réaction pour obtenir l'hydrogène serait très délicat.

Ces hydrures font l'objet de recherches un peu partout dans le monde: aux États-Unis mais aussi en France au C.N.R.S. qui possède un laboratoire de chimie métallurgique des terres rares.

On ne peut que regretter que l'entreprise qui s'appelait alors Rhône-Poulenc, devenue Aventis, qui était un spécialiste des terres rares ait maintenant abandonné cette activité.

e - Le stockage de l'hydrogène par adsorption dans du charbon actif

L'adsorption de l'hydrogène dans du charbon actif est connu depuis assez longtemps et donne d'assez bons résultats.

Mais cette technique de stockage ne peut pas être retenue pour une application automobile.

En effet il serait nécessaire de conserver le réservoir à une température de 77 K , ce qui obligerait à le maintenir dans une enceinte sous azote liquide ou à le coupler avec un groupe froid, ce qui deviendrait une contrainte excessive pour cette utilisation.

Des problèmes de sécurité pourraient se poser puisqu'une remontée accidentelle de température libère rapidement l'hydrogène.

f - Le stockage de l'hydrogène dans des nanotubes de carbone

Ce mode de stockage de l'hydrogène est actuellement au centre de beaucoup de publications et aussi de controverses.

Les nanotubes de carbone ont été découverts en 1991 au Japon.

Ces matériaux sont composés de chaînes de molécules de carbone formant ensemble des tubes graphitiques, ceux-ci pouvant s'organiser en couches simples ou multiples.

Ils semblent dotés de capacités exceptionnelles en terme d'absorption de l'hydrogène. Leurs capacités massiques d'absorption pourraient atteindre, selon certains auteurs, jusqu'à 65%. Mais la controverse est très vive à ce propos entre les spécialistes.

Il faut toutefois considérer avec une grande prudence ces nanotubes compte tenu de la méconnaissance de la plupart des mécanismes en jeu lors de l'absorption de l'hydrogène.

L'activité de recherche est en pleine effervescence sur ce thème.

Un certain nombre de domaines sont encore entachés de grandes incertitudes.

Il faut notamment approfondir les connaissances concernant les procédés d'élaboration pour améliorer le rendement de production, c'est-à-dire le rapport entre la quantité de nanotubes synthétisée et la quantité de carbone utilisée initialement et aussi le matériau obtenu.

Il reste aussi à élucider complètement au niveau théorique l'aptitude étonnante de ces nanostructures carbonées au stockage de l'hydrogène.

Les questions portent aussi sur la faisabilité à terme d'une production en masse de ces matériaux qui est aujourd'hui limité à quelques grammes obtenus en laboratoire.

Au terme de cette rapide revue des différentes méthodes de stockage de l'hydrogène, il apparaît clairement que le mode idéal de stockage de ce gaz n'existe pas encore. (...)

Non seulement le stockage mais aussi l'emploi de l'hydrogène sont souvent considérés comme dangereux. Il convient donc d'évoquer les problèmes de sécurité posés par l'emploi de ce gaz.

Les problèmes de sécurité posés par l'hydrogène

L'hydrogène est un produit qui a objectivement mauvaise réputation. Celui-ci déclenche généralement des appréhensions liées à la fois à la «bombe à hydrogène» et au désastre dudirigeable géant «Hindenburg» aux États-Unis le 6 mai 1937.

D'après de récentes études mené par un expert de la N.A.S.A., cet accident ne serait pas dû à l'hydrogène mais à la nature extrêmement inflammable de la peinture de son enveloppe.

Quelques caractéristiques de l'hydrogène peuvent susciter l'inquiétude. En effet si sa température d'inflammation est dix fois inférieure à celle des hydrocarbures, sa température d'auto-inflammation est plus élevée. Sa vitesse de combustion est grande ce qui confère au mélange air-hydrogène une aptitude élevée à transiter de la déflagration à la détonation.

Le risque «hydrogène» peut être apprécié soit au niveau du coeur des piles à combustible soit à celui de la production sur l'installation et des installations de stockage.

a - Les risques liés au coeur des piles

Normalement dans une pile à combustible l'hydrogène et l'air n'entrent jamais en contact direct.

Cependant dans le cadre d'une analyse de risque d'un système, l'éventualité d'une rupture de l'étanchéité entre les compartiments, par dégradation de la membrane pour une pile de type P.E.M. ou fuite de l'électrolyte, doit être prise en considération. Un tel événement peut en effet conduire à la constitution d'un mélange explosif au sein d'une cellule voire, par propagation, dans l'ensemble du coeur de la pile.

Il faut donc qu'une étude spécifique de sécurité basée sur une analyse des risques et une quantification des conséquences soient réalisées sur chaque installation.

Il faut toutefois considérer que les quantités d'hydrogène contenues dans le coeur de pile sont limitées et constituent un potentiel de danger relativement faible, surtout comparé à un stockage d'hydrogène classique.

b - Les risques liés à la production

L'analyse des risques de chaque installation doit mettre en évidence d'une part les risques liés au combustible employé (gaz naturel, méthanol...) et ceux propres au procédé utilisé (craquage du méthanol, vaporéformage du gaz naturel...).

c - Les risques liés au stockage

Dans les cas de stockage sous forme liquide ou pressurisée, les risques sont aujourd'hui bien connus et maîtrisables par la mise en oeuvre de dispositifs de sécurité adéquats.

La situation des automobiles à pile à combustible ou à moteur à hydrogène liquide a déjà fait l'objet d'études de sécurité.

Tout d'abord les quantités en jeu sont là relativement faibles : quelques centaines de litres seulement.

De manière similaire aux travaux ayant précédé la mise sur la marché des véhicules fonctionnant au G.P.L., ceux faisant intervenir l'hydrogène dans leur fonctionnement feront évidemment l'objet d'une procédure d'homologation avant toute fabrication industrielle.

Des essais ont été effectués sur des prototypes développés lors de différents projets.

Ainsi B.M.W. a pratiqué sur ses véhicules à moteur à combustion interne à hydrogène une série d'essais de collisions conformes aux spécifications américaines (chocs frontaux et au niveau de l'alimentation du réservoir à hydrogène...). Les résultats ont été entièrement positifs.

Le C.E.A. a soumis le réservoir d'hydrogène comprimé à 700 bars qu'il a réalisé à des tirs d'armes automatiques sans provoquer d'explosion.

Concernant les autres formes de stockage, (hydrures, adsorption sur des surfaces poreuses...) le retour d'expérience est moindre compte tenu de leur caractère encore très largement expérimental. Néanmoins la firme automobile japonaise Mazda a fait rouler pendant deux ans un prototype équipé d'un stockage sous forme d'hydrures sans problèmes particuliers.

Enfin la question de la sécurité des infrastructures de remplissage se posera naturellement en cas de développement de la filière. Elle nécessitera des études de sécurité et également la formation des futurs utilisateurs, c'est-à-dire à terme, le grand public.

Il faut noter que tous ces domaines sont activement étudiés notamment par l'I.N.E.R.I.S. qui travaille sur l'hydrogène depuis des années."

Office parlementaire d'évaluation des choix scientifiques et technologiques, Les perspectives offertes par la technologie de la pile à combustible. Rapport de MM. Robert Galley et Claude Gatignol, députés (4 juillet 2001) [sur le site de l'Assemblée nationale]. Assemblée nationale: n° 3216 (11ème législature) - Sénat n° 426 (2000-2001).

Voir aussi:
René Saint-Louis, L'hydrogène, le vecteur énergétique du 21e siècle? (Cyberpresse, 17 juin 2001)
Luc Dupont, La superstar de l'énergie de demain (Cyberpresse, 25 mars 2001)

Documentation

Hydrogen Power (The Science Show, 20 avril 2002 - Radio National, Australian Broadcasting Corporation): "At the University of New South Wales, work is progressing on the development of a non-fossil fuel power source to split water for producing hydrogen, which scientists envisage can be used in many applications from from gas sensors on miners' hats to hydrogen powered cars and buses."

Anti-Matter (The Science Show, 2 mars 2002 - Radio National, Australian Broadcasting Corporation): "Experiments with ultra cold atoms has enabled Harvard scientists to synthesize anti-hydrogen."

Ronald J. Reynolds, The gas between the stars (Scientific American, 15 janvier 2002)

Julie Wakefield, The ultimate clean fuel (Scientific American, 4 mai 2002)

John L. Sloop, Liquid hydrogen as a propulsion fuel, 1945-1959. Washington, D.C., NASA, Scientific and Technical Information Office, 1978 (The NASA History Series)

Document sonore: L'hydrogène: énergie du futur? Vous pouvez écouter à l'aide de Windows Media Player le reportage de Sophie Payeur ("Les Années lumière", Radio-Canada, 16 juin 2002)

Hydrogène

Données

— - Hydrogène - hélium

—
H
Li

Table complète - Table étendue

Général

Nom, Symbole, Numéro

Hydrogène, H, 1

Série chimique

Non-métal

Groupe, Période, Bloc

1, 1, s

Masse volumique

0,089 9 kg/m³

Couleur

Aucune

Propriétés atomiques

Masse atomique

1,00794 u

Rayon atomique (calc)

25 (53) pm

Rayon de covalence

37 pm

Rayon de van der Waals

120 pm

Configuration électronique

1s¹

Électrons par niveau d'énergie

État(s) d'oxydation

Oxyde

amphotère

Structure cristalline

Hexagonale

Propriétés physiques

État ordinaire

gaz

Température de fusion

14,025 K

Température de vaporisation

20,268 K

Énergie de fusion

0,058 68 kJ/mol

Énergie de vaporisation

0,449 36 kJ/mol

volume molaire

11,42x10^-3 m³/mol

Pression de la vapeur

—

Vélocité du son

1 270 m/s à 20 °C

Divers

Électronégativité (Pauling)

2,2

chaleur massique

14 304 J/(kg·K)

Conductivité électrique

— S/m

Conductivité thermique

0,181 5 W/(m·K)

1^er potentiel d'ionisation

1 312 kJ/mol

Isotopes les plus stables

iso	AN	période	MD	Ed MeV	PD
¹H	99,985 %	stable avec 0 neutrons
²H	0,015 %	stable avec 1 neutrons
³H	syn	12,33 ans	β^-	0,019	^3He
⁴H	syn	?	n	2,980	^3H

Unités du SI & CNTP, sauf indication contraire.

Sur Terre et hormis les composés avec d'autres atomes, la molécule d'hydrogène se présente le plus souvent sous la forme d'un corps simple gazeux : le dihydrogène (H₂), souvent appelé simplement « hydrogène ». L'hydrogène est présent dans de nombreuses molécules : eau, sucre, protéines, hydrocarbures.

Il est également le principal constituant du Soleil et de la plupart des étoiles, dont l'énergie provient de réactions de fusion thermonucléaire de l'hydrogène.

Étonnamment, l'hydrogène est un métal : lorsqu'il est sous forme solide (très hautes pressions et très basses températures), il cristallise avec une liaison métallique (voir hydrogène métallique). Dans le tableau périodique des éléments, il est d'ailleurs dans la colonne des métaux alcalins. N'étant pas présent à l'état solide sur Terre, il n'est toutefois pas considéré comme un métal en chimie. De façon simpliste sa nature métallique est due à son électron périphérique sur son unique et dernière couche saturée à deux électrons.

Caractéristiques principales

L'hydrogène est l'élément chimique le plus simple ; son isotope le plus commun est constitué seulement d'un proton et d'un électron. La masse de l'électron étant négligeable devant celles des protons et des neutrons, ce sont ces derniers qui déterminent la masse des atomes (donc leur poids). L'hydrogène est ainsi le plus léger atome existant.

Sur Terre et hormis les composés avec d'autres atomes, il se présente le plus souvent sous la forme d'un gaz : le dihydrogène. Sous des très faibles pressions, comme celles qui existent dans l'espace, l'hydrogène a tendance à exister sous forme d'atomes individuels, simplement parce qu'il est alors improbable qu'ils entrent en collision pour se combiner. Toujours dans l'espace, les nuages de H₂ sont à la base du processus de la formation des étoiles (compression des gaz).

Cet élément joue un rôle vital dans l'Univers par l'intermédiaire des réactions proton-proton et du cycle de Bethe (cycle catalytique CNO : carbone-azote-oxygène), qui sont deux voies de réactions de fusion thermonucléaire qui créent d'énormes quantités d'énergie en combinant quatre atomes d'hydrogène pour former un atome d'hélium.

Applications

Des larges quantités d'hydrogène sont nécessaires dans l'industrie, notamment dans les procédé Haber-Bosch de production de l'ammoniac, l'hydrogénation des graisses et des huiles et la production de méthanol. D'autres utilisations de l'hydrogène sont :

· la fabrication de l'acide chlorhydrique, le soudage, les carburants pour fusées et la réduction de minerais métalliques ;

· l'hydrogène liquide (LH2) est utilisé pour les recherches à très basses températures, y compris l'étude de la supraconductivité ;

· l'hydrogène était utilisé dans les ballons car il est quatorze fois plus léger que l'air.

· le deutérium (²H) est utilisé dans les applications nucléaires comme modérateur pour ralentir les neutrons. Les composés du deutérium sont aussi utilisés en chimie et en biologie pour étudier ou utiliser l'effet isotopique ;

· le tritium (³H), un autre isotope, est produit dans les réacteurs nucléaires et est utilisé pour la construction de bombes atomiques. Il est également utilisé comme un marqueur isotopique dans les biosciences et comme source de radiation dans les peintures luminescentes.

L'hydrogène comme vecteur d'énergie

L'hydrogène est régulièrement cité comme source d'énergie d'avenir. Il s'agit là non de l'élément hydrogène mais du dihydrogène, qui est un combustible « propre » dans le sens où sa combustion ne génère que de la vapeur d'eau, mais qui n'est pas présent dans l'atmosphère sauf à l'état de traces (il faut donc prendre en compte la pollution générée par la fabrication du dihydrogène). Il ne s'agit donc pas d'une source d'énergie primaire, ou fossile, mais d'un moyen de stockage de l'énergie, comme une batterie. L'hydrogène suscite beaucoup d'espoirs car il apporterait une réponse à deux des principaux défis énergétiques du XXI^e siècle :

· l'épuisement progressif des sources d'énergie non renouvelables ;

· l'émission de gaz à effet de serre par les sources d'énergie utilisées actuellement, la combustion de l'hydrogène ne dégageant que de l'eau.

Claude Mandil, directeur exécutif de l'Agence internationale de l'énergie, estime ainsi que l'hydrogène devra « jouer un rôle crucial » dans l'économie mondiale^[1]. De nombreuses expériences ont été menées dans le domaine des véhicules propres. Chrysler-BMW possède une flotte de voitures (moteurs thermiques) roulant à l'hydrogène H₂, sans pile à combustible, avec réservoir cryogénique. Plusieurs pays européens subventionnent des programmes d'utilisation d'hydrogène dans les transports en commun.

Toutefois la production, le stockage et le transport de l'hydrogène posent encore de nombreux problèmes technologiques, de sorte que son utilisation de masse n'est pas possible actuellement :

· coût des piles à combustible : elles sont dotées de mousse de platine, très onéreuse. D'autre part, la sécurité de ces piles sur une longue durée n'est pas assurée ;

· production : par combustion d'énergies fossiles, on retombe alors dans les problèmes évoqués précédemment. Mais on peut alors le produire à bord de véhicules. Par hydrolyse de l'eau, c'est alors moins efficace d'un point de vue énergétique, et ne peut être fait qu'à grande échelle. Se pose dans ce cas les problèmes de transport et de stockage ;

· stockage : très peu dense, l'hydrogène doit être comprimé à des pressions très importantes pour être transportable dans un volume raisonnable. Outre les problèmes de sécurité qu'elle comporte, cette compression demande beaucoup d'énergie. Or la production de cette énergie, si elle est réalisée avec les moyens traditionnels, en particulier le charbon, risque d'émettre des gaz à effet de serre et d'annuler les avantages environnementaux apportés par l'utilisation de l'hydrogène ;

· transport : il faudrait mettre en place des infrastructures gigantesques pour produire et transporter l'hydrogène à travers le territoire. Il s'agit d'un effort comparable au développement des filières de distribution du pétrole, qui a demandé plusieurs dizaines d'années. Le coût du déploiement d'un système complet de distribution pourrait demander de 10 à 15 milliards de dollars pour les seuls États-Unis^[2].

De nouveaux procédés apportent certaines réponses à ces enjeux. La technique de captation et de séquestration du charbon permettrait d'éviter l'émission de gaz à effet de serre lors de la production d'hydrogène, mais à un coût important : si la fabrication d'hydrogène (transport non compris) est évaluée à 120 USD le baril en utilisant du gaz naturel, il faut compter le double si on choisit le charbon et une technique de captation/séquestration^[3]. Une autre solution serait d'utiliser les réacteurs nucléaires spécifiques de génération IV, à très haute température grâce à l'utilisation d'hélium comme fluide caloporteur, capables de produire de l'hydrogène à bas coût à partir de l'eau. Ces réacteurs ne seront disponibles qu'à partir de 2030 ou 2040.

L'utilisation d'hydrogène constitue donc un espoir considérable mais ne sera pas rentable avant plusieurs dizaines d'années.

Histoire

L'hydrogène fut reconnu comme une substance distincte en 1766 par Henry Cavendish, en Angleterre. Antoine Lavoisier lui donna son nom hydrogène qui vient du grec ?δωρ (hudôr), « eau » et γενν?ν (gennen), « engendrer ».

La catastrophe du Hindenburg a sonné le glas de son utilisation en aéronautique.

Sources d'hydrogène

Occurrence

L'hydrogène est l'élément le plus abondant de l'Univers : 75 % en masse et 90 % en nombre d'atomes. Cet élément se trouve en grande quantité dans les étoiles et les planètes gazeuses. Relativement à son abondance dans l'univers, l'hydrogène est très rare dans l'atmosphère terrestre : environ 1 ppm en volume.

Sur Terre, la source la plus commune d'hydrogène est l'eau dont les molécules sont composées de deux atomes d'hydrogène et d'un atome d'oxygène ; mais la plupart des matières organiques, comme celle qui constitue les êtres vivants, le pétrole et le gaz naturel, sont des sources d'hydrogène. Le méthane (CH₄), qui est un produit de la décomposition des matières organiques, est de plus en plus utilisé comme source d'hydrogène.

Production

L'hydrogène peut être produit de plusieurs façons : l'action de la vapeur sur du carbone à haute température, le craquage des hydrocarbures par la chaleur, le craquage de la biomasse par la chaleur, l'action de la soude ou de la potasse sur l'aluminium, l'électrolyse de l'eau. Certains micro-organismes (micro-algues, cyanobactéries et bactéries) sont également capables de produire de l'hydrogène, à partir d'énergie solaire ou de biomasse, solution économique qui de plus résoudrait le problème du traitement des déchets organiques.

L'hydrogène brut disponible dans le commerce est généralement fabriqué par décomposition du gaz naturel.

Pour plus de détails, voir l'article sur le dihydrogène.

Physique et chimie de l'hydrogène

Composés

L'hydrogène se combine avec l'oxygène pour former de l'eau (H₂O), c'est un processus de combustion très énergétique qui est très explosif dans l'air. L'oxyde de deutérium (D₂O) est communément appelé eau lourde. L'hydrogène forme une grande variété de composés avec le carbone ; à cause de leur relation avec les molécules biologiques, ces composés sont appelés composés organiques et la branche de la chimie qui les concerne est la chimie organique.

Formes

Sous conditions normales, le gaz hydrogène est un mélange de type de molécules qui diffèrent l'une de l'autre par le spin de leur électron et noyaux atomiques. Ces deux formes sont appelées ortho- et para-hydrogène et la forme para n'existe pas à l'état pur. Dans les conditions normales de température et de pression, l'hydrogène est composé à 75 % de la forme ortho et à 25 % de la forme para. Ces deux formes ont des niveaux énergétiques légèrement différents et donc des propriétés physico-chimiques légèrement différentes. Par exemple, le point de fusion et le point d'ébullition du para-hydrogène sont environ 0,1 K plus bas que ceux de l'ortho-.

Isotopes

L'isotope le plus commun de l'hydrogène (H₂), le protium (¹H), est simplement constitué d'un proton et ne possède donc pas de neutron. C'est un isotope stable. Le deutérium (²H ou D) possède un proton et un neutron. C'est aussi un isotope stable qui compose entre 0,0184 et 0,0082 % de l'hydrogène naturel. Le tritium (³H ou T) possède un proton et deux neutrons ; c'est un isotope radioactif (instable), qui se transforme en ³He par émission d'un électron (radioactivité β⁻). ²H et ³H peuvent participer à des réactions de fusion nucléaire.

L'hydrogène est le seul élément dont les isotopes ont reçu un nom spécifique. en effet, la différence de masse entre les isotopes est significative (du simple au double ou au triple). Par suite, et contrairement à ce qui est dit pour les isotopes en général dans les cours introductifs de chimie, ceci peut influencer les propriétés chimiques du deutérium ou du tritium par rapport au protium (effet isotopique).

Danger, risque et Précautions

Le dihydrogène est un gaz classé « extrêmement inflammable » (l'histoire de son utilisation dans les ballons dirigeables est parsemée d'accidents graves qui ont justifié son remplacement par l'hélium beaucoup plus couteux et moins léger). Il est caractérisé par un domaine d’inflammabilité très large (de 4 à 75 % du volume dans l’air), provoquant une déflagration à partir d’un apport d’énergie d’inflammation très faible (une étincelle suffit si elle apporte une énergie de 0,02 millijoule (mJ) alors qu’il faut 0,29 mJ pour déclencher une explosion du méthane).

Il réagit aussi violemment avec le chlore pour former de l'acide chlorhydrique (HCl) et avec le fluor pour former de l'acide fluorhydrique (HF).

L'eau lourde (D₂O) est toxique pour de nombreuses espèces. En effet en raison de la grande différence de masse entre les isotopes la cinétique des réactions en solution aqueuse « lourde » est considérablement ralentie (effet isotopique) ; mais la quantité nécessaire pour tuer un être humain est substantielle. L'hydrogène mélangé à de l'oxygène dans les proportions stœchiométriques est un explosif puissant. Le dihydrogène dans l'air est un mélange détonnant lorsque le rapport volumique H₂ / air est compris entre 13 et 65 %.

L’Industrie stocke le dihydrogène à l’extérieur des bâtiments, ce qui ne sera pas possible pour une utilisation embarquée (véhicules, navires). Les normes de sécurité sont renforcées pour répondre aux risques posés par le passage dans les tunnels et le stationnement dans les garages ou parkings souterrains.

La réglementation mondiale sur les véhicules s’élabore sous l’égide de l'ONU à partir des propositions des industriels, mais concernant le dihydrogène, les constructeurs japonais, américains et européens ne s’accordent pas. La Commission européenne pourrait décider d’une réglementation communautaire provisoire.

En France, l’Ineris et le CEA travaillent avec l’Organisation internationale de normalisation (ISO) dans un comité technique nommé TC 197 sur le risque dihydrogène. Un projet européen Hysafe traite aussi de la question, où l’Ineris a critiqué le projet de règlement en suggérant une approche plus globale et systémique et non par composant pour l’homologation des véhicules hybrides.

Mécanique quantique

L'atome d'hydrogène étant l'atome le plus simple, c'est le premier qui a été étudié dans le cadre de la physique quantique.

La chimie de l'hydrogène

Les liaisons que l'atome d'hydrogène peut établir peuvent être de trois sortes :

· la perte d'un électron. L'hydrogène devient alors H⁺ (un proton seul). Son rayon est alors très petit : environ 1,5×10⁻¹³ cm contre 0,5×10⁻⁸ cm pour l'atome. Le proton tout seul n'existe pas libre mais il est toujours dans le nuage électronique d'une molécule (telle H₂O) ; devenant l'ion hydronium (acide) : H₂OH⁺.

· acquisition d'un électron. L'hydrogène devient alors H⁻ (un hydrure). L'ion lui-même n'existe en tant que tel que dans des sels d'hydrures ;

· formation d'une liaison covalente. L'hydrogène fait une liaison covalente donc une mise en commun d'une paire d'électrons avec d'autres atomes comme dans H₂O ou CH₄.

La liaison hydrogène

Il s'agit d'une interaction électrostatique entre l'hydrogène lié chimiquement à un atome électronégatif A et un autre atome électronégatif B (A et B étant typiquement O, N ou F en chimie organique). Par exemple : NH–O=C, ou dans l'eau H₂O–H-O-H.

Cette liaison joue un rôle important en chimie organique mais aussi en chimie inorganique, entre les alcools et les métaux alkoxides. Nous distinguons en général trois types :

· faibles avec des enthalpies entre 10 - 50 kJ·mol⁻¹ ;

· fortes avec des enthalpies entre 50 - 100 kJ·mol⁻¹ ;

· très fortes avec des enthalpie > 100 kJ·mol⁻¹.

Un exemple de liaison très forte est FH–F⁻¹ dans KHF₂ avec environ 212 kJ·mol⁻¹. On peut penser que dans ce cas il vaut mieux écrire F–H–F. La distance totale entre F–H–F est de 2,49 Å seulement et il se forme un angle de 120° entre les différentes molécules.

Il existe des liaisons hydrogènes à centres multiples. En général il s'agit de systèmes à trois centres et rarement à quatre. Soit un H est lié à deux autres molécules soit deux hydrogènes sont liés à une autre molécule.

Ouvrages

1415. Fabrication industrielle d'hydrogène

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1.4 Substances Inflammables

Hydrogène (fabrication industrielle de l')

La quantité totale susceptible d'être présente dans l'installation étant :
1. Supérieure ou égale à 50 t	(AS - 2)
2. Inférieure à 50 t	(A - 2)

Redevance : Décret n° 2000-1349 du 26 décembre 2000

Capacité de l'activité	Coefficient multiplicateur
La quantité totale susceptible d'être présente dans l'installation étant :
1. supérieure ou égale à 50 t …	10
2. inférieure à 50 t …	6

La fabrication d’hydrogène s’industrialise

Le 03 mars 2010 par Mirel Scherer

Chimie

Pionnière de la fabrication du carburant pour la pile à combustible, la société CETH augmente son capital. Un pas important vers l’industrialisation de ses générateurs innovants.

Spécialiste des générateurs d’hydrogène et d’oxygène industriel sans CO2, la Compagnie Européenne des Technologies de l'Hydrogène (CETH) a fait l'objet d'une augmentation de capital le 22 février 2010. Rappelons que cette société créée par le Dr Claude Etiévant il y a 12 ans, a ouvert en France et en Europe la route de la filière hydrogène sans CO2. Elle développe et fabrique des systèmes et des composants de production et de purification de l’hydrogène. Les produits et services CETH contribuent ainsi à atténuer voire à supprimer l’émission de gaz à effet de serre (GES). « Le nouvel actionnaire, Marsot Développement, filiale de SPTI, permettra d’évoluer rapidement, d’un statut de société d’études de la filière hydrogène à celui de société industrielle », explique Pascal Morand, directeur général de CETH. SPTI lui apporte son expérience dans l’industrialisation des énergies renouvelables, notamment dans le secteur des énergies photovoltaïques, hydrauliques et de la bio-méthanisation. « Les nombreuses synergies possibles entre les activités du Groupe SPTI permettront également, de mettre en œuvre des systèmes industriels éco-conçus », ajoute Pascal Morand.

Les générateurs d'hydrogène sans CO2 autoriseront le développement des piles à combustible dans les systèmes dotés de moteurs électriques à haut rendement (notamment sur les véhicules mi-lourds à lourds). D'autres formes de carburation intégrant de l'hydrogène seront également proposées, dont l'hythane qui résulte d'un mélange entre le gaz naturel et de l'hydrogène. Ces systèmes permettront également de satisfaire des besoins de production répartie d'hydrogène de haute pureté dans l’industrie chimique, la micro électronique, la pharmacie, ainsi que dans les stations services... « Cette production "à la demande" pourra être issue d'énergie renouvelable de type éolien ou solaire voire hydraulique de type "discontinue" ou continue à partir du réseau électrique national », précise le responsable de CETH. Des solutions de couplage avec stockage intermédiaire et restitution in fine sous forme électrique sont également à l’étude.

Preuve de leur intérêt, les projets de CETH sont co-développés avec le Centre technique des industries mécaniques (Cetim). Ce dernier apporte, outre ses compétences multidisciplinaires, tout un réseau d’experts spécialisés dans de nombreux métiers, de la conception au marketing et jusqu’à la commercialisation. CETH et le Cetim prévoient d’exploiter ensemble les retombées industrielles de ces travaux.

Réglementation sur l'hydrogène

* Sécurité sur les risques liés à l'hydrogène :
Documentation disponible sur le site INERIS : ICI

* Règlement (CE) n^o 79/2009 du Parlement européen et du Conseil du 14 janvier 2009 concernant la réception par type des véhicules à moteur fonctionnant à l'hydrogène et modifiant la directive 2007/46/CE :
Règlement (CE) no 79:2009.pdf

* Arrêté concernant le stockage ou l'emploi de l'hydrogène : ICI

* Nomenclature ICPE : rubriques 1415 et 1416 :

Rubrique n° 1415 - Fabrication d'hydrogène

Hydrogène (fabrication industrielle de l')

La quantité totale susceptible d'être présente dans l'installation étant :
1. Supérieure ou égale à 50 t : (AS - 2)
2. Inférieure à 50 t : (A - 2)
------------------------------------------------------------------------
Rubrique n° 1416 - Stockage d'hydrogène

Hydrogène (stockage ou emploi de l')

La quantité totale susceptible d'être présente dans l'installation étant :
1. Supérieure ou égale à 50 t : (AS - 2)
2. Supérieure ou égale à 1 t, mais inférieure à 50 t : (A - 2)
3. Supérieure ou égale à 100 kg, mais inférieure à 1 t : (D)

L'hydrogène énergie poursuit son développement

ENERGIES - Actu-Environnement.com - 20/12/2005

Que ce soit pour sa production, son transport ou son stockage, l'hydrogène constitue un sujet de recherche très prometteur. Les applications se développent mais certaines ne seront réellement commercialisées que dans 15 ou 20 ans.

Depuis l'essor du moteur de fusée à hydrogène durant la seconde moitié du XXème siècle, l'hydrogène continue à séduire la recherche et dans un contexte actuel de réchauffement climatique et d'énergie fossiles chères et limitées, ses propriétés sont appréciées. L'hydrogène énergie est plus que jamais étudiée sous tous les angles.

Gaz non toxique dont la combustion est très énergétique, l'hydrogène n'existe pas à l'état libre dans la nature mais seulement à l'état combiné dans l'eau et les hydrocarbures par exemple. Il est intéressant dans le sens où il permet de produire de la chaleur par combustion directe mais aussi de produire de l'électricité dans les piles à combustible (PAC), avec comme seul résidu de l'eau.

L'hydrogène est produit à partir de combustibles fossiles (pétrole, gaz, charbon), à partir de l'eau par électrolyse, photoélectrolyse ou dissociation thermochimique. Actuellement les hydrocarbures assurent plus de 90% de la fabrication traditionnelle de l'hydrogène avec la prédominance du gaz naturel mais ces techniques entraînent la libération de CO₂. Elles ne sont donc valables sur le plan environnemental que si le CO₂ est stocké. De nombreuses recherches sont donc menées pour améliorer la technique en vue de diminuer les émissions de CO₂ et de développer les modes de stockage.
En ce qui concerne les autres modes de production, les techniques sont encore à l'étude et les conditions de mise en œuvre dépendent de nombreux facteurs. L'électrolyse par exemple représente aujourd'hui moins de 1% de la capacité totale de production de l'hydrogène et n'est utilisée que si l'électricité est bon marché et/ou si une pureté élevée de l'hydrogène produit est requise.

L'hydrogène est actuellement et principalement utilisé dans l'industrie, tout particulièrement dans le raffinage des hydrocarbures et dans les industries chimiques et pétrochimiques. L'Agence Internationale de l'Energie estime la production mondiale à 45 Mt par an soit 1,5 % de la production mondiale d'énergie primaire dont 5,85 Mt pour l'Europe.
D'autres utilisations de l'hydrogène sont possibles et font l'objet de nombreuses recherches. Il pourrait être utilisé directement dans des moteurs à combustion dans les secteurs de l'industrie ou des transports. Mais pour le secteur industriel son prix est encore trop élevé (4,65 c€/kWh) par rapport au gaz naturel (2,6 c€/kWh ) ou à l'essence (2,8 c€/kWh). Les constructeurs automobiles sont quant à eux de plus en plus intéressés mais la technologie nécessite encore des progrès en termes de rendements des moteurs. De plus, sur le plan environnemental, il n'y a aucun avantage puisque comme toute combustion celle de l'hydrogène entraîne le rejet d'oxydes d'azote (NOx) dans l'atmosphère.

Les piles à combustibles restent donc le domaine de prédilection de l'utilisation de l'hydrogène et peuvent s'appliquer dans l'électronique portable, les transports (automobile, bateaux, avions) ou les bâtiments. Associée à l'électrolyse (fabrication d'hydrogène à partir d'eau et d'électricité), elle permet également d'envisager une forme de stockage de l'électricité en particulier celle issue des énergies renouvelables.
Dans le secteur de l'électronique, les recherches ont considérablement avancé. En 2007, les premières PAC miniatures pour téléphones et ordinateurs portables vont être commercialisées. Alimentées en méthanol ou en hydrogène ces piles de faible puissance permettent d'augmenter l'autonomie des appareils.
Dans le bâtiment, les installations sont disparates et la première démonstration française a eu lieu en 2000 dans la ville de Chelles. La pile à combustible alimente 200 équivalent logement en électricité. L'hydrogène est produit sur place à partir de gaz naturel du réseau de la ville. La chaleur dégagée par la pile est récupérée et alimente le réseau de chauffage urbain de 100 logements.
Dans le transport, plusieurs technologies sont en cours de développement et différent selon si l'hydrogène est produit ou non à bord du véhicule. En 2005, plus de 600 piles à combustibles mobiles étaient en circulation dans le monde, tout type de transports confondus (deux roues, véhicules, sous-marin scientifiques, etc).
Mais si l'hydrogène était amené à devenir un vecteur énergétique largement répandu, sa production future serait un problème majeur. Dans le domaine des transports par exemple, l'Europe compte actuellement 800 millions de véhicules. Avec sa production actuelle d'hydrogène (20 milliards de m3 par an) elle ne pourrait en alimenter que 10 millions et devrait donc considérablement augmenter sa production. Adopter l'hydrogène comme vecteur énergétique demande donc un certain nombre de progrès tant au niveau de sa production, de son transport et stockage, de sa distribution, de la sécurité de son utilisation et enfin au niveau des piles à combustibles.

D'autre part, les sites d'utilisation de l'hydrogène n'étant pas les mêmes que ceux de production, le transport de l'hydrogène est inévitable. Actuellement l'hydrogène est transporté sous sa forme gazeuse sous pression par un réseau de pipeline. L'Europe de l'Ouest possède le plus grand réseau, environ 1500 km à comparer aux 900 km existants aux USA. Les principaux pays européens utilisant des pipelines d'hydrogène sont la France, l'Allemagne et le Benelux. Ce mode de distribution s'avère être le plus économique et sera probablement amené à connaître une forte croissance dans les années qui viennent. Selon certaines études, une adaptation des réseaux actuels de distribution de gaz naturel au transport de l'hydrogène semble être possible dans certaines conditions.
L'hydrogène peut être également transporté sous forme cryogénique. L'abaissement de la température permet de liquéfier l'hydrogène qui est alors transportable par route ou par mer.

Avant toute utilisation l'hydrogène doit être stocké sous forme de gaz sous pression ou sous forme liquide. De nombreuses études sont en cours pour faciliter les conditions de stockage et assurer la sécurité des sites.
Cette notion devient une problématique majeure dans le cadre de l'utilisation d'hydrogène en tant que carburant pour véhicule. Le passage d'une utilisation industrielle à une utilisation domestique est un enjeu crucial. Le principal risque lié à l'utilisation de l'hydrogène est le risque d'explosion. Lorsqu 'il est mélangé à l'air dans des proportions comprises entre 4 et 75% du volume, l'hydrogène est explosif et l'énergie nécessaire à l'inflammation du mélange est extrêmement basse. Il faut donc éviter tout risques de fuite et d'accumulation dans un milieu confiné au niveau du stockage. L'INERIS mène depuis plusieurs années des études sur le sujet et plus particulièrement sur la résistance des réservoirs destinés aux véhicules à hydrogène.

Utiliser l'hydrogène à grande échelle sous-entend également le distribuer. À l'instar de ce qui existe aujourd'hui pour les carburants pétroliers, la distribution de l'hydrogène devra rendre ce carburant disponible en tout lieu, en toute sécurité, d'une manière commode et à un prix abordable. Cela impose donc des exigences au niveau de la production, du stockage, du transport, et de l'installation de distribution proprement dite. Une station-service à hydrogène présente l'avantage de pouvoir être alimentée directement sur place puisque l'hydrogène peut en principe être obtenu en tout lieu à partir de toute énergie qu'elle soit renouvelable, nucléaire ou provienne de combustibles fossiles.
Déjà une centaine de stations-service existent dans le monde notamment aux Etats-Unis où l'état de Californie a lancé un grand projet d'autoroute équipée de station-service à hydrogène. En mars 2005, déjà 16 stations étaient installées pour 95 véhicules. En 2010, 2000 véhicules sont prévus avec 100 stations-service.

Ainsi, beaucoup d'incertitude persistent et de nombreux points doivent encore être définis, testés et approuvés pour voir la filière hydrogène énergie se développer. Que ce soit en Amérique du nord, en Europe ou en Asie, des travaux de recherche fondamentale, appliquée et de développement sont en cours. Les Etats-Unis ont prévu d'investir 4 milliards de dollars, l'Europe 50 Millions de dollars par an et la Chine 85 millions de dollars pour le développement des piles à combustible.
À court terme, les perspectives de développement sont concentrées dans l'électronique portable avec une commercialisation d'ici 2 à 3 ans. En revanche, les autres applications seront effectives à moyen ou long terme. On estime, par exemple, que l'utilisation de l'hydrogène dans les transports publics ne verra réellement le jour que dans 10 ans et 15 ou 20 ans pour les véhicules particuliers.

F.LABY

Hydrogène

Acteur majeur dans la fourniture d’hydrogène au service de nombreux procédés industriels, de la fabrication des polymères à la désulfuration des carburants, Air Liquide s’intéresse activement au nouveau rôle de l’hydrogène comme vecteur d’énergie pro

L'hydrogène une énergie propre

À l'origine, une équation toute simple : hydrogène + oxygène ? énergie + eau. L'hydrogène est le seul combustible qui ne dégage que de la vapeur d'eau lors de sa combustion. Le principe est séduisant, tant du point de vue de l'environnement que du nécessaire relais à trouver aux énergies fossiles. Depuis de longues années, Air Liquide conduit des recherches sur ce nouveau vecteur d'énergie. Aujourd'hui, il dispose d'une expertise de pointe à tous les maillons de la chaîne, depuis la production jusqu'à l'utilisation dans la pile à combustible en passant par le stockage et la distribution.

Le Challenge Bibendum 2006

Air Liquide a participé, en 2006, au Challenge Bibendum, organisé par Michelin, qui a eu lieu à Paris, du 8 au 12 juin 2006. Dédié à la mobilité propre, le Challenge a accueilli cette année plus de 70 véhicules dont une dizaine de véhicules écologiques alimentés à l’hydrogène.

Dans le cadre du Rallye qui visait à démontrer les performances de ces véhicules respectueux de l’environnement, Air Liquide a mis en place deux stations service, conçues et développées par le Groupe, qui alimentaient les véhicules en hydrogène sur un centre d’essais au Nord de Paris et sur le Champ de Mars, à proximité de la Tour Eiffel.

Quelle place pour l’hydrogène dans les systèmes énergétiques?

DUFOIX Mathieu - MASTRANGELO Jean-François - VALMAGE François

08 Mars 2004

Sommaire

SOMMAIRE

INTRODUCTION

1 LA PRODUCTION D’HYDROGÈNE

1.1 Les technologies thermochimiques de production

1.1.1 Le vaporeformage du gaz naturel

1.1.2 L’oxydation partielle

1.1.3 Le reformage autotherme

1.1.4 La gazéification du charbon

1.1.5 La gazéification et la pyrolyse de la biomasse

1.2 La décarbonisation et la séquestration du CO2

1.3 La production à partir du nucléaire

1.4 La production par électrolyse

1.5 Les procédés photolytiques

1.5.1 Le procédé photobiologique

1.5.2 La photoélectrolyse

2 LE STOCKAGE ET LA DISTRIBUTION DE L’HYDROGÈNE

2.1 Le conditionnement physique et chimique

2.1.1 La purification

2.1.2 La liquéfaction (LH2)

2.1.3 La compression (CGH2 compressed gas hydrogen)

2.2 Le stockage

2.2.1 Le stockage classique

2.2.2 Les matériaux poreux

2.2.3 Les hydrures métalliques

2.2.4 Un champ de recherche : le stockage haute pression dans des « microsphères »

2.3 Le transport de l’hydrogène

2.4 L’approvisionnement du client

2.4.1 L’approvisionnement pour le transport

2.4.2 L’approvisionnement dans les autres secteurs que le transport

2.5 Le bilan énergétique de la distribution

3 LES APPLICATIONS DE L’HYDROGÈNE

3.1 La Pile à Combustible

3.1.1 Le fonctionnement de la PAC

3.1.2 Le rendement de la PAC

3.2 Les différentes utilisations

3.2.1 Le mobile

3.2.2 Le stationnaire

3.2.3 Le portable

4 LES FILIÈRES DE L’HYDROGÈNE

4.1 L’Analyse du Cycle de Vie

4.1.1 Le principe général du LCA

4.1.2 La méthodologie et la nomenclature

4.2 L’exemple du transport : l’hypothèse optimiste

4.2.1 Les caractéristiques des véhicules

4.2.2 Les pertes d’énergie : Energy use

4.2.3 Les émissions de gaz à effet de serre : GHG Emissions

4.2.4 Conclusion de l’hypothèse optimiste

4.3 L’exemple du transport : la problématique du coût

4.3.1 Le coût du « Puits au Réservoir »

4.3.2 La consommation du véhicule

4.3.3 Les leviers évoqués

4.4 L’exemple du transport : l’hypothèse pessimiste

4.4.1 L’Analyse du Cycle de Vie de l’IFP

4.4.2 Les leviers évoqués les plus récents

5 LES TECHNOLOGIES CRITIQUES ET LA DYNAMIQUE D’ÉMERGENCE DE L’HYDROGÈNE

5.1 L’analyse de court terme (2010)

5.2 L’analyse de moyen terme (2020)

5.3 L’analyse de long terme (après 2020)

CONCLUSION

BIBLIOGRAPHIE

LIENS INTERNET

Introduction

L’hydrogène, si on peut dire, déchaîne les passions tant du côté des scientifiques que du côté des industriels. Certains voient, en effet, en lui la solution ultime pour tous les problèmes environnementaux et énergétiques à venir, tandis que d’autres estiment qu’il ne s’agit que d’une vaine espérance, les retombées probables ne pouvant intervenir que dans minimum un siècle.^[1]

Pour y voir plus clair sur ce sujet, il est à noter que l’hydrogène est un vecteur énergétique et non une énergie primaire, comme l’est par exemple l’électricité. Il est donc nécessaire de posséder des technologies capables de le produire. Il en existe plusieurs, existantes et en cours de recherche, comme celles basées sur les combustibles fossiles, le nucléaire ou encore les énergies renouvelables. Ensuite, vient le stockage et le transport, et enfin l’utilisation finale. Cette dernière peut concerner tant le transport de toute sorte, que les besoins domestiques en chaleur et en électricité. Ainsi, certains parlent à ce sujet d’une éventuelle « civilisation de l’hydrogène ». En outre, le stockage, le transport et l’utilisation terminale de l’hydrogène se font toujours sans émissions de gaz à effet de serre.

On comprend donc pourquoi l’hydrogène a le vent en poupe du côté des filières nucléaires et renouvelables qui permettent une production sans émissions. Elles pourraient en effet ne plus se cantonner au marché de l’électricité mais toucher par exemple le marché automobile. Ceci serait également le cas pour la filière charbonnière, même si celle-ci est productrice de dioxyde de carbone dans son procédé de production d’hydrogène : la production de CO2 serait centralisée au niveau de la production et des mécanismes de séquestration pourraient être mis en œuvre. Quant aux lobbies pétroliers et aux constructeurs automobiles, ils sont, bien entendu, dubitatifs envers ce possible remplaçant de la filière classique du transport routier.

Nous avons donc essayé, au travers de ce rapport, de synthétiser à tous les stades de la filière tant les certitudes et doutes technologiques que les perspectives économiques. Ainsi, la question de la production de l’hydrogène sera tout d’abord présentée, viendront ensuite le problème du stockage et du transport, et celui de l’utilisation finale. Enfin, les deux dernières parties aborderont successivement l’analyse du cycle de vie et la dynamique d’émergence de la filière hydrogène.

1 La production d’hydrogène

Le choix des méthodes de production changera selon la disponibilité de la matière de base ou de la ressource, la quantité d'hydrogène exigée et la pureté souhaitée de l'hydrogène. Les chercheurs et les industriels développent un éventail de processus pour produire l'hydrogène de manière économiquement et écologiquement satisfaisante. Ces processus peuvent être séparés en quatre groupes de technologies :

- les technologies thermochimiques ;

- les technologies nucléaires ;

- les technologies électrolytiques ;

- les technologies photolytiques.

Toutes les ressources d’énergies, renouvelables et non-renouvelables, sont envisagées pour permettre la production d’hydrogène, qui doit à terme permettre la satisfaction de la demande en énergie sans peser sur le futur environnemental de notre planète. Les sous-parties qui suivent étudient les différentes techniques de production énoncées, la seconde sous-partie présentant particulièrement la décarbonisation et la séquestration du dioxyde de carbone.

1.1 Les technologies thermochimiques de production

La production d'hydrogène à partir de carburants fossiles est aujourd’hui la plus répandue, mais elle ne pourrait constituer une solution à long terme au vu de la durée de vie limitée de ces carburants (cf. schéma précédent). Elle pourrait donc seulement constituer une solution à moyen terme. De plus cette technique génère du CO2. Actuellement, 48% de l’hydrogène mondiale est produit à partir du gaz naturel, 30% du pétrole (la plupart du temps consommée dans les raffineries), 18% du charbon, et le 4% restant provient de l'électrolyse de l'eau.[2]

On distingue cinq processus au sein des technologies thermochimiques de production : le vaporeformage du gaz naturel, l'oxydation partielle, le reformage autotherme, la gazéification du charbon et le reformage de la biomasse.

1.1.1 Le vaporeformage du gaz naturel

Le gaz naturel contient en majorité du méthane, mais contient aussi du CO2 et du soufre. Ce dernier doit être d'abord éliminé avec la désulfuration. Le procédé de vaporeformage se sépare alors en deux réactions : la première est la réaction du méthane avec l'eau qui produit du CO et de l'hydrogène, la seconde est la réaction de Water Gas Shift entre l'eau et le CO qui produit du CO2 et du H2.

Principe du vaporeformage

La première réaction du reformage a lieu vers 800-900°C pour une pression de 25 bars, celle-ci donne un gaz riche en CO et en H2 contenant aussi du CO2.

Il faut ensuite éliminer le CO, pour cela on utilise les réactions de High Temperature et de Low Temperature Shift vers 400 et 200°C. On obtient alors un gaz avec essentiellement H2, CO2, H2O, un peu de CO et du CH4.

Cette étape est suivie d'une dernière purification du gaz : la Pressure Swing Adsorption (PSA) permet d'obtenir de l'hydrogène pur à 99,99%. On peut également purifier le mélange avec des procédés cryogéniques, soit par refroidissement dans des échangeurs, ce qui permet d'obtenir H2 avec 2 à 5 % de CO, soit par méthanation. Dans ce dernier cas, on élimine d'abord une grande partie du CO2 en le faisant réagir avec une solution d'hydroxyde de Sodium (NaOH) : le CO2 se dissout alors sous forme d'ions carbonates. Le CO et le CO2 restant réagissent ensuite avec H2 en formant du méthane.

Ces procédés sont aujourd’hui bien maîtrisés, des unités produisant de 20 à 100.000 m3/h existant déjà. Question prix, tout dépend de celui du gaz naturel et des coûts d'investissement Pour les petites installations, les coûts les plus importants seront les coûts d'investissement, et pour les grosses installations, il s’agira du coût de la matière première. Enfin, d’après le site de l’EERE en 2003, le coût de ce procédé pourrait à terme baisser de 25 à 30%.

1.1.2 L’oxydation partielle

L'oxydation partielle est également un processus de production maîtrisé, il s'agit de la réaction entre un carburant (gaz naturel, hydrocarbures légers, voire le charbon) et de l'oxygène. Suite à la présence de monoxyde de carbone, celle-ci est suivie d’une purification du gaz. De plus, à l’image du processus de production précédent, on assiste au départ à une purification du carburant qui contient à la base du soufre, du CO2 et du CO.

Enfin, les scientifiques développent actuellement un réacteur à membrane en céramique qui permettrait la séparation simultanée de l'oxygène de l'air et des produits de l'oxydation partielle des matières possibles. S’il est réussi, ce processus pourrait avoir comme conséquence la production améliorée de l'hydrogène comparativement aux unités conventionnelles de reformage.^[3]

1.1.3 Le reformage autotherme

Le reformage autotherme est une combinaison de l’oxydation partielle et du vaporeformage, le carburant étant mélangé avec de l'air et de l'eau. L'oxydation partielle étant exothermique, il y a dégagement de chaleur qui est utilisée ensuite par le vaporeformage, réaction endothermique. Au final, il n’y a pas besoin d'apporter de chaleur. S’en suit également une purification par les réactions de Water Gas Shift. On atteint une très bonne efficacité et plusieurs carburants peuvent être utilisés : le gaz naturel, le méthanol ou des hydrocarbures.

1.1.4 La gazéification du charbon ^[4]

Cette technique fut la source principale de production d’hydrogène avant le reformage, mais elle n'est aujourd’hui plus qu’utilisée en Afrique du Sud et en Chine. Elle n'est en effet intéressante que lorsque les prix du pétrole et du gaz sont trop élevés. Cependant, progressivement ce processus de production révèle de l'importance : il y a co-production d’électricité, d’hydrogène et de carburants liquides. Concernant le principe, il y a mélange du charbon avec de l'eau et de l'air à 1000°C et sous haute pression, ce qui permet d’obtenir un gaz contenant en majorité du CO et de l'hydrogène. L’élimination du monoxyde de carbone se fait grâce à la réaction de Water Gas Shift, le CO2 formé étant ensuite dissous.

1.1.5 La gazéification et la pyrolyse de la biomasse

Des recherches sont entreprises actuellement par le département américain de l’énergie pour tenter de produire de l’hydrogène via de la biomasse en utilisant des procédés de gazéification et de pyrolyse.^[5]

Les techniques de traitement de la matière végétale sont semblables à celles qui sont utilisées pour les combustibles fossiles. En utilisant les résidus et les pertes agricoles, ou la biomasse spécifiquement développée pour des usages d'énergie, de l'hydrogène peut être produit par l'intermédiaire de la pyrolyse ou de la gazéification.

La pyrolyse de la biomasse produit un produit liquide appelé bio-huile, qui, comme le pétrole, contient une gamme étendue de composants qui peuvent être séparés pour donner des produits chimiques et des carburants utilisables.

Cependant, à la différence du pétrole, la bio-huile contient un nombre significatif de composants oxygénés fortement réactifs dérivés principalement des hydrates de carbone et de la lignine. Ces composants peuvent être transformés en produits, y compris l'hydrogène. Ces stratégies de coproduction sont conçues pour produire simultanément des produits chimiques à forte valeur, comme les résines phénoliques, et de l'hydrogène. Enfin, il est important de noter que tout ceci n’est encore qu’à l’état de recherche.

1.2 La décarbonisation et la séquestration du CO2 ^[6]

La présentation précédente de la production d’hydrogène à partir de matières fossiles a montré la nécessité d’un besoin en énergie. Les rendements d’efficacité sont environ de 72% à partir du gaz, 76% à partir du pétrole, et de 60% à partir du charbon. Cependant, par unité de chaleur produite, plus de CO2 est produit en faisant de l’hydrogène à partir de combustible fossile qu’en brûlant le combustible fossile directement.

Ainsi, la décarbonisation seule des carburants n’atténuera pas l’augmentation de rejet de dioxyde de carbone dans l’atmosphère. Une possibilité de matières fossiles « propres » résiderait dans la capture et la séquestration du CO2. Les réservoirs de séquestration incluent les océans, la flore, les sols, les gisements épuisés de gaz naturel et de pétrole, les couches aquifères salines profondes, les filons houillers et les carbonates minéraux solides. De plus, l’avantage principal de la séquestration est sa compatibilité avec les infrastructures existantes de gisement de combustible fossile.

La séquestration par la flore et par les sols n’exige pas la localisation d’unités de production ou plus de carburant, mais la capacité naturelle d’absorber le CO2 est limitée. La prise de CO2 se produit pendant la croissance de la matière organique, lorsque la réaction nette de photosynthèse-respiration est vers la droite : hv + CO2 + H2O -> CH2O + O2. Les données historiques de CO2 et les modèles impliquent une absorption de carbone par la forêt aujourd’hui de 1 à 3 milliards de tonnes (GtC) par année, mais certains modèles montrent un renversement « from sinks to sources » à long terme lorsque le réchauffement planétaire augmentera la respiration des sols. Les approches biologiques de séquestration à plus long terme incluent l’enterrement des arbres pourris sous terre et l’enfouissement des résidus agricoles en mer profonde. La capture de CO2 par l’hydroxyde de calcium aqueux Ca(OH)2 dans des eaux peu profondes, avec la reprise du dioxyde de carbone par chauffage de CaCO3 pour produire du CaO et du CO2, a aussi été proposée. Cette réaction, la calcination, est une étape principale dans la fabrication du ciment à partir du calcaire, la cassure de la liaison Ca-CO2 nécessitant un apport substantiel d’énergie.

En outre, la séquestration à plus long terme du CO2 en mer profonde a été étudiée. Pour un scénario donné d’émission, les captures par les océans peuvent sensiblement diminuer les niveaux atmosphériques maximaux de CO2, bien que, dans tous les cas, ils rendent par la suite de nouveau du CO2 à l’atmosphère. La réémission et les effets du pH pourraient être diminués en accélérant l’altération du carbonate minéral qui neutraliserait l’acidité océanique ainsi produite. Un processus de capture d’une grande portée est la réaction du CO2 avec la serpentine de minerai. Celle-ci permet de séquestrer le carbone comme solide dans des « briques » de carbonate de magnésium, le temps caractéristique de rejet par la suite étant de l’ordre des temps géologiques. Enfin, étant donné que tout ceci est encore à l’état d’ébauche, des investissements substantiels de recherches sont nécessaires dès aujourd’hui pour rendre ces technologies disponibles à temps.

1.3 La production à partir du nucléaire ^[7]

Une autre possibilité de production d’hydrogène réside dans le nucléaire. Depuis quelques années, des chercheurs étudient des réacteurs nucléaires dits de 4e génération. Non seulement plus sûrs, ils permettront une moindre consommation de combustible nucléaire, une production plus faible de déchets mais également en plus de la fourniture d’électricité, la production d’hydrogène. Les rendements devraient être de l'ordre de 50 %. Aujourd’hui, une dizaine de pays travaillent sur cette innovation technologique : la France, les USA, le Japon, le Royaume-Uni, la Suisse, l’Afrique du Sud, l'Argentine, le Brésil, le Canada et la Corée du Sud. En outre, au total, six nouvelles technologies de réacteur sont à l’étude : un réacteur refroidi avec de l'eau supercritique, un réacteur à neutrons rapides à refroidissement avec au choix sodium liquide ou alliage de plomb liquide, un réacteur à gaz à très haute température et un réacteur à sels fondus. Le CEA a choisi de retenir en particulier le réacteur à gaz à haute température (1100°C), noté VHTR. Le haut niveau de température permet la décomposition de l'eau en hydrogène et en oxygène. S’agissant du Japon et des USA, ils se tournent plutôt vers le réacteur à refroidissement au sodium liquide. Néanmoins, cette technologie ne serait commercialement disponible que vers 2030-2040. Quant au projet ITER de fusion nucléaire également productrice d’hydrogène, ses retombées ne sont attendues que pour la fin du siècle.

1.4 La production par électrolyse

Jusqu'aux années 50, l’électrolyse de l'eau était utilisée pour la production d'hydrogène et d'oxygène. Aujourd’hui, l'électrolyse fournit seulement un petit pourcentage de l'hydrogène du monde, lequel est fourni aux applications qui exigent de petits volumes d'hydrogène de grande pureté.

Désormais, l'électrolyse est associée à une future utilisation des énergies renouvelables. Cela pourrait être intéressant au vu de la non-simultanéité de la production par ces procédés avec les besoins des industriels et des individus. Une autre possibilité réside dans l’utilisation de l'électricité produite par des centrales nucléaires, et plus particulièrement lors des heures creuses. L'hydrogène permettrait ainsi le stockage de l'électricité sous forme chimique, et une réutilisation ultérieure lorsque les besoins se font sentir. En outre, le rendement de l'électrolyse est en pratique de l’ordre de 65%, bien que, théoriquement, il est possible d’atteindre 80 ou 85%. Enfin, étant donné le prix élevé de l’électricité, le coût de l’électrolyse est bien supérieur à celui du reformage. Ainsi, afin d’augmenter la rentabilité du processus, il faudrait une électricité à plus faible coût.

Fonctionnement de l’électrolyse

Du point de vue de la réaction électrochimique, il s’agit de la réaction inverse à celle qui a lieu dans une pile. La cellule électrolytique est formée de deux électrodes, une cathode et une anode, d'un électrolyte et d’un générateur de courant. L’électrolyte est soit une membrane polymère échangeuse de protons soit une membrane céramique conductrice d’ions oxygène.

Dans le cas d'une membrane échangeuse de protons, les réactions sont les suivantes :

- à l'anode, des électrons sont formés suite à l’oxydation de l'eau en oxygène et en protons (oxydation)

H2O -> 2H+ + 2 e- + 1/2O2

- à la cathode, les protons, passés à travers la membrane, se réduisent avec les électrons pour donner de l'hydrogène (réduction)

2H+ + 2 e- -> H2

Ainsi, grâce à du courant, l'eau est dissociée en hydrogène et en oxygène. Etant donné que l'enthalpie de dissociation de l’eau est de 285kJ/mole, il faut nécessairement un apport d'énergie électrique. Le potentiel théorique correspondant est de 1.48V à 25°C, mais pratiquement, il s’agit plutôt d’un potentiel entre 1.7 et 2.3 V, ce qui correspond aux rendements cités ci-dessus.

1.5 Les procédés photolytiques ^[8]

1.5.1 Le procédé photobiologique

Certains microbes photosynthétiques produisent, au cours d’activités métaboliques, de l'hydrogène à partie d’énergie solaire. En utilisant des catalyseurs, le rendement de production d'hydrogène a pu atteindre 24%. De nombreux espoirs résident dans le procédé photobiologique, mais celui-ci devra surmonter, pour être efficace, la limitation de la sensibilité des enzymes vis-à-vis de l’oxygène. Les chercheurs tentent de résoudre ce problème en recherchant des organismes naturels qui soient plus tolérants envers l'oxygène. Une autre solution réside dans la création de nouvelles formes génétiques d’organismes végétaux qui puissent continuer à produire de l’hydrogène en présence d'oxygène. Un nouveau système de commutateur métabolique est également développé afin de créer un cycle entre une phase photosynthétique de croissance et une phase de production d'hydrogène.

1.5.2 La photoélectrolyse

Une autre option prometteuse pour le long terme est la photoélectrolyse. Ici, la lumière solaire agit sur une cellule photoélectrochimique, qui, immergée dans l'eau, produit des bulles d'hydrogène et d'oxygène. Les avantages de ce processus direct de production résident dans la suppression des coûts de l'électrolyseur et dans l'augmentation possible de l'efficacité globale du processus.

En effet, avec un rendement de 12% pour la pile photovoltaïque à silicium, multiplié par un rendement de 65% pour l’électrolyseur, on obtient pour un mécanisme indirect de production d’hydrogène un rendement de 7,8%. Le même rendement de pile photoélectrochimique donne, d’après des tests, un rendement total possible pour la pile photoélectrochimique de 10,2%, ce qui donne un gain total de 30%. Enfin, la plus importante barrière technologique pour ce procédé réside dans la fabrication de semi-conducteurs d’une part stables dans un milieu hydrique et électrolyte, et d’autre part capables d’absorber les photons solaires.

2 Le stockage et la distribution de l’hydrogène

2.1 Le conditionnement physique et chimique ^[9]

2.1.1 La purification

a) La purification en amont

Définition

Il s’agit de la purification des éléments permettant la production d’hydrogène. Elle permet d’éliminer en partie les poussières, les composés soufrés et les composés acides. L’objectif de la recherche actuelle est la constitution d’unités de purification décentralisées. Le filtre ZnO est une possibilité, qui doit être approfondie.

Techniques

Coûts estimés

Il n’est pas possible d’évaluer les coûts de purification de façon globale, car ils dépendent fortement des procédés utilisés, des matières premières et de la qualité voulue.

b) La purification en aval

Définition

Le but est de séparer les composés type CO, H2O, O2, NH3 et CO2 du gaz hydrogène produit.

Techniques

	Techniques
Procédés catalytiques ^[10] : pour le CO	CO + H2O -> CO2 + H2
	méthanisation sélective (CO + 3 H2 -> CH4 + H2O)
	oxydation sélective (CO + 1⁄2 O2 -> CO2)
Membrane	Utilisation des capacités de transmission des membranes, différentes selon les espèces chimiques. La plus efficace : membrane au Palladium, et Ag/Pd. Utilisation dans les industries chimiques et microélectroniques
Adsorption	pressure swing adsorption (PSA). L’hydrogène est contraint de passer à travers un filtre actif au carbone. Procédé discontinu, à cause du nettoyage du filtre.
	temperature swing adsorption process (TSA), pour l’élimination du CO2, H2S, COS, H2O, O2, NH3 et Hg
	Hydrure métallique : élève la pureté de deux ordres de grandeur

Coûts estimés

Les coûts des procédés catalytiques sont raisonnables, mais les autres méthodes sont très onéreuses. Aussi, les procédés actuellement en recherche sont :

Petits purificateurs pour unités décentralisées, afin de réduire les coûts pour les procédés de membrane et d’hydride métallique. Solutions possibles : membrane céramique, ou amélioration du filtre palladium.
Intégration de la purification et du stockage par les mêmes matériels.

2.1.2 La liquéfaction (LH2) ^[11]

Définition

L’hydrogène est produit sous forme gazeuse, et à pression faible. La liquéfaction consiste à faire passer l’hydrogène de sa phase gazeuse à sa phase liquide. Cette forme de conditionnement présente l’avantage de conditionner l’hydrogène sous une forme « énergétique », c’est-à-dire que l’énergie disponible dans un volume donné est importante : chaque litre de LH2 correspond à 2,36 kWh d’énergie. Toutefois, la liquéfaction présente un inconvénient majeur : elle est coûteuse en énergie. En effet, sous pression atmosphérique, H2 n’est liquide qu’en dessous de 20 K. Même en augmentant préalablement la pression (ce qui est déjà gourmand en énergie) de façon à augmenter la température de liquéfaction, cette dernière reste très basse. Amener l’hydrogène à cette température sera donc coûteux.

Techniques utilisées

Technique Joule Thomson : Elle consiste en une succession d’échanges de chaleur. L’hydrogène subit des compressions, suivies de phase(s) d’expansion, soit irréversibles (utilisation d’une valve), ou partiellement réversibles via l’utilisation d’un expanseur. Il y a habituellement six étapes d’échange de chaleur (les échangeurs sont refroidis à l’azote liquide). Les expansions sont réalisées au moyen d’une valve Joule-Thomson.

Procédés magnétocaloriques : Ils consistent à transformer de l’ortho-hydrogène en para-hydrogène (jusqu’à une concentration de 95%). Le para-hydrogène à une énergie plus faible, ce qui permet d’obtenir de l’hydrogène liquide dont la température est de 21 K sous p=1 bar.

Ces deux techniques sont combinées. Elles permettent aux unités de liquéfaction actuellement en service de produire entre 3 et 60 tonnes d’hydrogène liquide par jour.

Coûts estimés

Coûts de structure : Les unités de production de LH2 coûtent de l’ordre de la dizaine de millions d’euros à la construction.

Coûts de fonctionnement : Produire un litre de LH2 (correspondant à 2,36 kWh d’énergie) coûte 0,9 kWh d’électricité. En outre, 45 L d’eau sont utilisés, ainsi qu’une petite quantité d’azote, essentiellement pour le refroidissement des échangeurs.

A court terme (quelques années), la consommation d’électricité pourrait être réduite de 25%, et, en tout cas, tomber facilement sous la barre des 0,8 kWh par litre de LH2. A plus long terme, l’amélioration de l’efficacité des procédés magnétocaloriques permettrait de tomber à 0,35 kWh par litre de LH2 pour certaines usines d’exploitation commerciale.

2.1.3 La compression (CGH2 compressed gas hydrogen) ^[12]

Définition

La compression est plus aisée à mettre en œuvre que la liquéfaction. Elle consiste à porter l’hydrogène à une pression supérieure à la pression atmosphérique. Cependant, à une pression de 200 ou 350 bars et à température ambiante moyenne (soit 293 K), la densité de l'hydrogène est très inférieure à celle de l'hydrogène liquide.

		Densité	Energie disponible
LH2 20 K, 1 bar		71,1 kg.m^-3	2802,5 kWh.m^-3
CGH2 293 K	1 bar	0,0827 kg.m^-3	3,26 kWh.m^-3
	200 bar	14,49 kg.m^-3	571 kWh.m^-3
	350 bar	23,66 kg.m^-3	932,6 kWh.m^-3

Technique

Compression par le travail d’un moteur : Il s’agit de la technique utilisée pour le gaz naturel. Le matériel est exactement le même.

Le travail nécessaire à une compression isotherme est :

avec = 4124 J.kg^-1.K^-1, constante caractéristique de l’hydrogène gazeux

T, la température (en K)

, le facteur de correction pour H2 avec

p₂, le niveau de pression final

p₁, le niveau de pression initial

Habituellement, la pressurisation est effectuée par étapes. La première peut être court-circuitée si l’hydrogène a été produit par électrolyse haute pression. Les surcoûts d’un tel électrolyseur sont donc partiellement compensés par l’économie de la première mise sous pression.

Estimation des coûts

Coûts de structure : Le matériel de compression du gaz naturel peut être facilement adapté à l’hydrogène ; les dimensionnements utiles sont déjà disponibles. Les coûts de structure sont donc réduits.

Coûts de fonctionnement : D’après la relation entre le travail et le niveau de compression, la pression initiale domine. Ainsi, comprimer de 1 à 10 bars demande autant d’énergie que de 10 à 100.

		Energie disponible	Coût
LH2 20 K, 1 bar		2802,5 kWh.m^-3	900 kWh.m^-3
CGH2 293 K p1=1bar	p2=1 bar	3,26 kWh.m^-3	0 kWh.m^-3
	p2=200 bar	571 kWh.m^-3	176 kWh.m^-3
	p2=350 bar	932,6 kWh.m^-3	340 kWh.m^-3

2.2 Le stockage ^[13]

2.2.1 Le stockage classique

Définition

Le stockage classique correspond à l’utilisation de réservoirs, comme pour le gaz naturel, dans des conditions de température et de pression déterminées.

Techniques

	Stock immobilisé	Stockage mobile
CGH2	Techniques de stockage pour le gaz naturel utilisables. Grande échelle : stockages dans des poches souterraines, nappes, mines ou grottes. Petite échelle : Stockage externe dans des ballons sphériques, bouteilles en acier, de 2 à 50 L, pression de 20 MPa	Techniques développées pour le gaz naturel utilisables pour l’hydrogène. Contenance : 50 L à 400 L. Stockage entre 200 et 300 bars.
LH2	Jusqu’à 100 L, même technologie que l’hélium liquide. Il existe aussi une « super » isolation avec du refroidissement continu.	Les réservoirs sont constitués de 200 à 300 films isolants. Les réservoirs de bus sont constitués de trois réservoirs « elliptical cross section », chacun avec une contenance de 190 L ; densités d’énergie : 4 kWh.kg^-1environ.

	Capacité : de 1500 L à 75000 L. Réservoirs avec isolation « perlit vacuum » ou « vacuum powder » .

Estimation des coûts

Coûts de structure : L’ordre de grandeur du prix d’un réservoir est le millier d’euros. Il varie selon le matériau.

Coûts de fonctionnement : Ce sont les coûts de l’évaporation. Ils varient de 0,4 à 1% par jour.

Il faut aussi ajouter les coûts indirectement générés par le stockage ; ce sont par exemple les coûts dus au poids (et au volume !) du réservoir embarqué sur un véhicule. Les réservoirs ont en effet une masse importante (~ 500 kg à vide pour une autonomie de 500 à 800 km). Pour une même quantité d'hydrogène, le volume de stockage peut être réduit en augmentant la pression mais cette augmentation entraîne un accroissement de l'épaisseur des parois et donc du poids du réservoir vide.

Pour surmonter ces inconvénients, les recherches actuelles portent sur :

les matériaux composites, résistants et légers ;
les propriétés d'adsorption de matériaux poreux carbonés ou de composés métalliques.

2.2.2 Les matériaux poreux

Les matériaux poreux comme les charbons actifs sont constitués par des microcristaux de graphite. Ces cristaux sont enchevêtrés et forment des pores, de diamètre nanométrique. Les atomes d’hydrogène ont la propriété d’interagir avec les atomes de carbone : ils s’adsorbent sur le graphite. A 293 K et sous 1 bar, la densité des atomes adsorbés au voisinage d’une surface de graphite est 10 fois supérieure à la densité de l'hydrogène aux mêmes température et pression. Or, dans les matériaux poreux, la surface de contact entre le graphite et la lumière du pore est très grande. Elle atteint le millier de m2 par gramme. Un matériau poreux peut donc constituer un mode de stockage de l’hydrogène gazeux. En effet, la masse d'hydrogène pouvant y être adsorbée est d’environ 40 kg.m-3, soit la densité du CGH2 à 293 K sous 400 bars.

Ce mode de stockage est plus efficace à basse température, car l’agitation thermique y est réduite, ce qui augmente la densité des atomes d’hydrogène au voisinage des parois des pores. Le gain de capacité de stockage est ainsi de l'ordre de 100 % à 77 K et de 50 % à 150 K.

Exemple : les nanotubes : Ce sont des cylindres de graphite. Le stockage y est avantageux à 150 K et 50 bar, mais le gain n’est pas significatif à 293 K et sous 200 bar.

2.2.3 Les hydrures métalliques

Définition

Certains métaux (V, Pd, …) ou composés (AB_n avec A correspondant à Y, Zr ou un lanthanide, et B un métal de transition) peuvent adsorber de façon réversible de l'hydrogène en grande quantité, et à pression et température ambiantes. En effet, la densité d'hydrogène dans un hydrure, représentant couramment 1,5 kWh.L^-1, peut dépasser celle de LH2. Le stockage dans les hydrures présente aussi l’avantage d’offrir une grande sécurité. Toutefois, le poids de l’hydrogène stocké représente moins de 7% du poids total du dispositif. De plus l'hydrogène adsorbé doit être très pur pour ne pas détériorer les propriétés adsorbantes du matériau. Enfin, selon l’AFH2, « il faut tenir compte des effets thermiques liés à l'hydruration (adsorption ou remplissage) et à la déhydruration (désorption ou vidage). L'hydruration est fortement exothermique (~ 150 kJ/kg) et la chaleur produite nécessite d'être évacuée. A l'inverse la déhydruration est endothermique et nécessite un apport de chaleur. Les températures de la réaction d'hydruration sont typiquement situées entre 300 et 650 K à des pressions de 0,1 à 10 MPa. Des protocoles ont été proposés pour l'utilisation des hydrures à bord de véhicules où on se sert de la chaleur produite par le fonctionnement du moteur pour la désorption, l'adsorption devant cependant s'accompagner d'un refroidissement du réservoir. »

Coûts estimés

Le prix des métaux et des alliages est élevé et à l’heure actuelle prohibitif à toute utilisation à grande échelle.

2.2.4 Un champ de recherche : le stockage haute pression dans des « microsphères »

Des sphères de verre (diamètres de moins de 100 microns) peuvent supporter des pressions allant jusqu’à 1000 MPa : elles permettraient une grande densité de stockage.

2.3 Le transport de l’hydrogène

Définition

Les besoins de transport de l’hydrogène varient avec son mode de production. Une production décentralisée, sur le lieu d’utilisation, ne demande que peu de transport. Il pourra prendre la forme d’un transfert sous forme gazeuse par gazoduc. Au contraire, une production centralisée en grande quantité nécessite un acheminement vers le lieu d’utilisation. Ainsi, l’hydrogène est acheminé vers les stations services comme les produits pétroliers provenant des raffineries. Dans ce dernier cas, l’état liquide est mieux adapté au transport par la route, ou le chemin de fer ou voie d’eau. Dans tous les cas, le transport de l’hydrogène entraîne une dépense d’énergie significative.

Techniques

Dispositif mobile

Dispositif immobile

CGH2

Camion ou train, dans des bouteilles en acier sous 20 Mpa, quelques milliers de litres.

Réseaux de gazoducs ^[14] (pression de quelques MPa)

LH2

Camions de 5000 l. Bateaux

Quelques réseaux d’environ 40 km, aux USA

2.4 L’approvisionnement du client

2.4.1 L’approvisionnement pour le transport ^[15]

Les installations de distribution dépendent du mode de stockage de l’hydrogène à bord du véhicule : gaz comprimé, gaz liquéfié ou hydrures métalliques.

a) Les réservoirs à CGH2

Le transfert au client se fait par différence de pression (la réserve est maintenue à une pression de 5 MPa au dessus de celle du réservoir). Cependant, lors du remplissage du réservoir, un échauffement se produit, ce qui entraîne une dilatation du gaz. Une fois refroidi, la pression du gaz aura diminué et la quantité délivrée sera inférieure à celle initialement prévue. Plusieurs solutions sont possibles :

- surdimensionner les équipements ;

- refroidir l’hydrogène avant son entrée dans le réservoir.

Une autre solution consiste à remplacer le réservoir vide par un réservoir préalablement rempli.

b) Les réservoirs à LH2

Les solutions imaginées sont assez proches de celles du CGH2.

c) Les réservoirs hydrures métalliques

L’hydruration (remplissage) est exothermique, ce qui exige un refroidissement De plus, c’est un processus lent. Un remplacement de réservoir serait donc une meilleure solution.

2.4.2 L’approvisionnement dans les autres secteurs que le transport ^[16]

Une production centralisée nécessiterait un transport de quantités massives d’hydrogène ; une production décentralisée paraît plus adaptée. Dans ce cas, l’approvisionnement est moins problématique.

2.5 Le bilan énergétique de la distribution ^[17]

Récapitulatif des pertes énergétiques

		Unités centralisées	Unités décentralisées
Conditionnement Stockage	Compression entre 20 et 80 MPa	10 à 15 %
	Liquéfaction	30 %	150 %
	Hydrures	20 à 50 %
Transport	Camions	100 % pour 500 km
	Gazoducs	1 à 4 %
	Sur place		40 à 75 %

Production centralisée : L’hydrogène doit être transporté le moins possible et en évitant la route. Toutefois, pour les grosses quantités, le transport de LH2 est possible. Dans tous les cas, c’est le gazoduc qui est la meilleure solution.

Production décentralisée : La dépense relativement importante en énergie amène à privilégier les énergies renouvelables.

3 Les Applications de l’hydrogène

Cette troisième partie complète la chaîne de l’hydrogène, entamée avec sa production et son transport. Dans un premier temps, nous décrivons la Pile à Combustible que nous avons retenue comme convertisseur de l’hydrogène en énergie utilisable. Puis dans un second temps, nous expliciterons les différentes utilisations qui sont prévues : mobiles, stationnaires et portables.

3.1 La Pile à Combustible

3.1.1 Le fonctionnement de la PAC

L’hydrogène étant seulement un vecteur énergétique, il est nécessaire de le transformer au bout de la « chaîne ». La Pile à combustible est l’outil de transformation que nous privilégions dans cette étude. Découverte en 1839, les PAC ont connu un nouvel essor avec le développement des programmes spatiaux de la deuxième moitié du XXème siècle. Depuis les années 1990, elles sont examinées avec grand intérêt par les industriels.

Comme toute Pile, la PAC convertit de l’énergie chimique en énergie électrique. Le combustible considéré est l’hydrogène qui est fourni en continu, ce qui peut permettre d’obtenir du courant de façon continue.

L'un des intérêts de la pile à combustible réside dans le fait que les températures sont d'un plus faible niveau que dans les turbines ou les moteurs à combustion. En ce qui concerne le carburant, le méthanol peut aussi être utilisé dans les piles à méthanol, mais leurs performances restent pour le moment inférieures à celles des piles à hydrogène. Pour utiliser des combustibles type méthane ou autres alcools, il faut des températures de fonctionnement bien plus élevées: 800 à 1000°C. La réalisation de piles fonctionnant à de telles températures est problématique, on entend souvent dire que l’hydrogène est le « combustible idéal » pour la PAC.

Une cellule élémentaire est constituée de 3 éléments : deux électrodes, un électrolyte. Les deux électrodes sont séparées par l'électrolyte. A l'anode, on amène le combustible, et la cathode est alimentée en oxygène ou plus simplement en air, enrichi ou non en oxygène.

Principe élémentaire d'une pile et aperçu extérieur

Les réactions

Dans le cas d'une pile hydrogène-oxygène, on a l’oxydation de l'hydrogène à l'anode selon:

H₂ 2 H⁺ + 2 e- électrolyte acide

H₂ + 2 OH^- 2 H₂O + 2 e- électrolyte basique

Il s'agit d'une réaction catalysée. L'atome d'hydrogène réagit en libérant deux électrons, qui circulent dans le circuit électrique qui relie l'anode à la cathode.

A la cathode, on assiste à la réduction cathodique, également catalysée, de l'oxygène selon:

1/2 O₂ + 2 H⁺ + 2e- H₂O électrolyte acide

1/2 O₂ + H₂O + 2e- 2 OH^- électrolyte basique

Le bilan donne donc : H₂ + 1/2 O₂ H₂O + chaleur.

Cette réaction est exothermique : à 25°C, l'enthalpie libre de la réaction est de -237 ou -229 kJ/mol selon que l'eau formée est liquide ou gazeuse. Ceci correspond à des tensions théoriques de 1,23 et 1,18 V. Cette tension dépend aussi de la température. On aura compris que la Pile à Combustible correspond à l’inverse exact du principe de l’électrolyse qui est présenté en première partie.

3.1.2 Le rendement de la PAC

Le travail récupérable correspond au déplacement des électrons dans le circuit extérieur. Il est égal à :

avec E_a et E_c les potentiels à l'anode et à la cathode.

Thermodynamiquement, le rendement de la pile est égal au rapport entre le travail électrique récupérable et l'enthalpie de la réaction :

On a déjà vu que ce travail était égal à :

ce qui en exprimant le travail en fonction de l'enthalpie et de l'entropie donne

Pour une pile H2/O2 à 25°C, le rendement théorique est de 83% ou 95% selon que l'eau est liquide ou gazeuse.

Dans la réalité, il existe toujours des phénomènes d'irréversibilité des réactions : on vient de voir entre autres que les surtensions baissent le niveau de la tension théoriquement récupérable. Le rendement réel est donc inférieur à ce rendement thermodynamique idéal.

Citons plusieurs causes de baisse de rendement :

- Baisse de rendement due aux surtensions

Il y a en effet des surtensions aux électrodes et de résistance dans l'électrolyte. Le catalyseur utilisé, l'état des électrodes, l'utilisation de l'air au lieu d'oxygène pur ainsi que les conditions de température et de pression ont une influence déterminante sur la dissociation de l'hydrogène et de l'oxygène ainsi que sur les échanges au niveau de la zone de triple contact.

- Rendement faradique

Ce rendement tient compte du nombre d'électrons effectivement obtenus par mole de carburant présent. Pour l'hydrogène, on a en général un rendement de 1 (c'est à dire 2 électrons par mole d'hydrogène).

- Rendement matière

Ce rendement concerne l'utilisation des réactifs au niveau des électrodes. En effet, dans une pile, chaque ensemble "membrane-électrodes" doit être alimenté de manière identique, ce qui suppose un même débit et des pressions partielles identiques

- Rendement système

Que ce soit dans des applications mobiles ou stationnaires, une pile ne fonctionne pas seule : des composants périphériques sont nécessaires. Il s'agit du compresseur, du système de contrôle, des échangeurs de chaleur, du système de reformage (désulfuration, réformeur, échangeur, purification des gaz). Ces composants ont une consommation qui vient baisser le rendement.

- Rendement général de la pile

Le rendement de la pile est le produit de tous les rendements vus précédemment:

Exemple :

Considérons une pile PEMFC fonctionnant à 80°C avec de l'hydrogène avec une tension de 0,7 V pour 350 mA/cm². Le rendement théorique "rev" est de 0,936, le rendement "électrique" de 0,60, le rendement faradique de 1, le rendement matière peu être pris égal à 0,9, et le rendement système est de 0,8. Ceci donne un rendement total de 40,4%.

3.2 Les différentes utilisations

3.2.1 Le mobile

Les moyens de transport jouent un rôle essentiel dans la promotion de l’hydrogène auprès des industriels et des politiques. En effet, l’industrie automobile est concernée par une alternative depuis les crises pétrolières, tandis que certains lobbies environnementalistes y voient une possibilité de réduire les émissions de gaz polluant. L’option « Hydrogène » serait donc de doter les voitures de moteurs électriques alimentés par une PAC. L’utilisation des PAC est avantageuse sur plusieurs plans : il n’y a que de l’eau émise par le pot d’échappement, le véhicule est moins bruyant et le rendement est plus efficace que les moteurs à explosion. Cette dernière affirmation mérite d’être traitée en détail dans le 3.3) sur les aspects de « cycle de vie ».

Voitures

Il s’agit de l’enjeu industriel majeur en ce qui concerne le marché du transport. Les grandes entreprises développent des tests avec des véhicules à Pile à Combustible. L’Allemagne est à la pointe avec DaimlerChrysler, Opel et Ford. Les calendriers sont d’ores et déjà tenus puisque DaimlerChrysler veut mettre à la vente une Classe A à PAC à l’horizon 2005. Néanmoins, la concurrence du méthanol subsiste encore, et le principal obstacle est l’absence de toute infrastructure de diffusion de l’hydrogène comparée à la présence du réseau de stations-services.

Transports en commun

Le secteur des transports en communs est aussi visé. L’industriel allemand MAN a programmé un modèle de bus pour la ville de Berlin équipé de la PAC. De même DaimlerChrysler désire tester des cars « Nébus » en service normal pour les prochaines années.

Camions, Ferroviaire, Navires

En fait, on peut trouver des modèles à Pile à Combustible, donc impliquant l’hydrogène, pour presque n’importe quel moyen de locomotion. L’utilisation de l’hydrogène pour les camions n’a pas connu de réel développement, en partie à cause de l’efficience du Diesel sur les longues distances. Comme nous l’avons cité, le développement le plus exploré est celui des transports en commun urbains, car ces véhicules ont un trajet bien défini (ravitaillement facile) et une limitation quotidienne de leur kilométrage. De la même manière, les bateaux qui manoeuvrent dans les zones urbaines tels les ferries pourraient baisser leurs émissions. L’absence de son et de vibrations offrirait un agrément supplémentaire.

La Pile à Combustible utilisée pour la propulsion sera la PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cells) : elle seule satisfait aux critères de rapidité, de niveau de température... L'hydrogène est par définition le meilleur pour alimenter la pile à combustible. Pour le moment, il ne peut être stocké que sous forme gazeuse (haute pression : de 300 à 700 bars) ou liquide (à - 253°C). Mais ces formes de stockage sont insuffisantes en termes de densité gravimétrique et volumétrique. L'utilisation de l'hydrogène nécessite dans tous les cas la mise en place de l'infrastructure de production, de transport et de distribution avec par exemple des stations service (où l'hydrogène pourrait être obtenu par reformage du gaz naturel). Mais si l'hydrogène devait être utilisé, on se retrouverait face au problème de l'oeuf et de la poule: qui doit être introduit en premier, les véhicules à PAC ou l'infrastructure nécessaire?

D'ici là, il sera sans doute nécessaire d'utiliser un carburant intermédiaire (essence, méthanol, éthanol...) dont on obtiendra de l'hydrogène par reformage à l'intérieur du véhicule. Dans le même ordre d’idées, les véhicules hybrides qui sont à l'honneur avec la Prius de Toyota et l'Insight de Honda, peuvent constituer une transition vers les véhicules à hydrogène. Le principe de ces véhicules est simple: il combine les caractéristiques des voitures électriques et des voitures à essence. On a en fait deux sources d'énergie pour la traction : le moteur traditionnel thermique à essence et le moteur électrique alimenté par des batteries.

L’application à l’industrie automobile est donc porteuse d’enjeux énormes mais n’est pas sans poser de problèmes. D’un point de vue pratique, les constructeurs tablent sur 15 à 20 ans pour que ces véhicules atteignent une part de marché intéressante. Mais avec près de 60 millions de nouveaux véhicules vendus chaque année, les 20 à 25 % espérés sont loin dêtre négligeables. La condition première reste l’abaissement des coûts : le prix du kilowatt est aujourd'hui de 6000 euros. Selon des spéacialistes, il faudrait qu'il soit de l'ordre de 50 euros (300 francs), ce qui passe peut-être par une « révolution technologique ».

3.2.2 Le stationnaire

Les applications stationnaires sont les plus diversifiées parmi les applications des piles : cela tient à plusieurs choses:

- un large spectre de puissance du kW à plusieurs MW ;

- des applications allant de l'approvisionnement d'électricité à la cogénération en passant par la génération de vapeur ou de froid ;

- divers types de piles possibles.

On peut distinguer la production décentralisée - avec en particulier les applications stationnaires de faible puissance (résidentiel, secours...) ainsi que la cogénération de moyenne puissance (quelques centaines de kW) - et la production centralisée d'électricité sans valorisation de la chaleur.

a) La production décentralisée

Des piles de faible puissance peuvent être placées dans des habitations, sites isolés, bâtiments administratifs... Ces applications stationnaires mettant en jeu soit un apport exclusif d'électricité (systèmes de secours ou de sécurité), soit de la cogénération (production simultanée d'électricité et de chaleur), sont l'une des possibilités qui pourrait le plus vite déboucher sur le marché. Les puissances types sont de l'ordre du kW. Parallèlement, d'autres prototypes de moyenne puissance de l'ordre de quelques centaines de kW ont été installés aux USA, au Japon et en Europe. Il s'agit là en général de cogénération pour alimenter des sites industriels ou des réseaux de chaleur. Les unités de plus d' 1 MW restent encore rares à l'heure actuelle.

Le marché stationnaire décentralisé est relativement vaste puisqu'il concerne les applications domestiques comme industrielles ou le secteur tertiaire. Les applications domestiques concernent un particulier ou un secteur résidentiel avec chauffage central collectif (l'électricité mais aussi la chaleur produite par ce dispositif sont compatibles aux besoins d'une maison : chauffage, eau chaude, piscine ou réfrigération). Les applications industrielles sont dirigées vers la moyenne industrie ou les PME (électricité, vapeur, eau chaude...).
Le secteur tertiaire est aussi concerné pour des bâtiments spécifiques type administratifs, hôpitaux, piscines, maisons de retraite, centres commerciaux... ainsi que les applications de secours ou de sécurité servant à alimenter des systèmes sensibles (banque..).

Dans un marché en constant changement (ouverture à la concurrence) et face à une demande croissante en électricité, les piles à combustible représentent des sources de production d'énergie délocalisée très intéressantes. Elles peuvent constituer une solution dans le cas de lieux isolés où il est difficile ou même coûteux, d'installer des lignes électriques (site classé, montagne ...). Les piles à combustible pourraient assurer une distribution fiable et indépendante des intempéries et même permettre une économie dans le coût de transport et d'installation. Ce n'est peut être pas aussi vrai en France dont la production d'électricité est plus tournée vers le nucléaire et donc centralisée, mais d'autres pays se tournent vers d'autres choix. Des pays aussi gigantesques que les Etats Unis ont besoin de production délocalisée.

La pile à combustible se révèle intéressante pour les besoins simultanés en électricité et en chaleur, voire en froid puisque à la fois chaleur et électricité sont produits par les piles. Mais on peut aussi envisager des demandes soit uniquement en électricité ou en chaleur ou distinguer selon que les besoins dominants seront en électricité ou en chaleur. Les deux étant produits par une pile (dans un ratio dépendant du type de pile), il est possible de revendre la chaleur et consommer l'électricité (ou inversement), consommer les deux ou bien consommer une partie de la chaleur et de l'électricité produites et revendre le surplus à un tarif convenu avec un fournisseur d'énergie.

La pile à combustible offre un meilleur rapport électricité - chaleur que ces concurrents dans le domaine (moteurs, micro turbines...). Cependant, les coûts sont encore bien trop élevés pour que les piles puissent actuellement avoir une pénétration conséquente dans le marché stationnaire car leurs concurrents ont des coûts de revient beaucoup plus bas.
Les coûts d'investissement se situent actuellement entre 3500 et 10000 Euro/kW (pile, auxiliaires et production d'hydrogène) et on estime qu'ils devraient passer à moins de 1000 Euro/kW.

Les coûts de maintenance ainsi que la durée de vie des composants restent encore des inconnues. Il faut tenir compte de la possibilité ou non de revendre le surplus d'électricité au réseau, et à quel prix. A ces difficultés d'ordre économique s'ajoutent les problèmes purement technologiques tel que leur durée de vie, l'empoisonnement du catalyseur, la réalisation de plusieurs cycles départ/arrêt successifs sans dommages... Quant au bilan environnemental, il semble globalement favorable aux piles à combustible : les émissions de CO2 et de NOx seraient inférieures à celles de leurs concurrentes.

b) La production centralisée

Parmi les types de production d'électricité, on peut trouver pour les piles différents types d'application : les applications de secours, la production d'appoint reliée ou non au réseau ou une production centralisée d'électricité. Les piles à combustible dépassent rarement la taille d'1 MW, cependant des études sont faites sur des centrales de plusieurs centaines de MW. Celles-ci pourraient ainsi remplacer les centrales thermiques trop polluantes. Cependant seules les piles "haute température", c'est à dire les MCFC et SOFC sont adaptées à de telles applications : on peut en effet leur adjoindre une turbine à vapeur ou à gaz (voire les deux derrière une SOFC) et ainsi produire de l'électricité avec un rendement très élevé: des rendements de plus de 70% sont annoncés. De même que les installations de cogénération, ces systèmes peuvent servir à la production décentralisée d'électricité. De construction modulaire, avec de faibles nuisances sonores, ces installations peuvent être installées près des utilisateurs.

3.2.3 Le portable

Téléphones et ordinateurs portables

En mars 2003, des piles à combustible pour portables ont été présentées à un salon pour l'informatique à Hannovre : une des premières occasions pour les piles de se montrer hors des salons spécialisés. Toshiba, Masterflex et Smart Fuel Cell ont présenté leurs prototypes au public. Si 2003 sera une année de présentation des prototypes, 2004 semble celle annoncée du lancement des piles pour les applications portables, si l'on en juge par les annonces faites par les constructeurs.

Les piles à combustible peuvent être de toutes les tailles grâce à leur modularité : de moins d'1 Watt à plusieurs MW, ce qui permet la création de piles de très petite taille ne comportant que quelques cellules et ayant une petite surface. Les piles de petites taille ont en effet de réelles chances dans un marché d'appareils électroniques en constante croissance : téléphones portables, ordinateurs, camescopes, agendas électroniques. D'où l'intérêt des industriels pour les piles d'une puissance entre 0.1 et 10 Watts. Tous ces appareils portables souffrent actuellement de leur faible autonomie : il est nécessaire de les recharger régulièrement. Au contraire, avec une pile à combustible, l'autonomie ne dépend que de la taille du réservoir de carburant (hydrogène ou méthanol) : il est ainsi possible de recharger une batterie assurant la fourniture d'électricité.

Parmi les différents types de piles, deux seulement sont suceptibles d'avoir des applications portables : il s'agit des PEMFC et DMFC. Ces deux piles sont caractérisées par leur faible température de fonctionnement, entre 60 et 80°C, ce qui diminue les problèmes de gestion thermique. Le principal défi est la miniaturisation des piles : du point de vue architecture, la micro pile devra donc soit être une version réduite des PEMFC et DMFC actuellement développées, soit être radicalement différente. En effet certains, comme le CEA, s'orientent sur des pistes différentes: en se basant sur les techniques de la micro-électronique, ils créent une pile constituée d'éléments faits avec de nouveaux matéraux (membrane en polyimides sulfonés ou électrodes en mélange polymère conducteur avec du platine) et empilés (sous forme de couches minces de quelques microns) sur un substrat de silicium.

Le marché des appareils électroniques portables est en continuelle expansion : il ne concerne pas seulement les ordinateurs portables, les téléphones ou les assistants de poche, mais aussi tous les jeux de poche, les systèmes d'alarme, des appareils de camping, voire des appareils individuels de santé. Un téléphone portable consomme en moyenne 1 W en conversation, et 50 mW en veille. Un ordinateur portable a besoin d'environ 10 W. Aux attentes en termes de puissance et de prix, s'ajoutent la nécessité de pouvoir recharger ces appareils de façon simple et rapide et surtout de leur assurer une autonomie plus importante que celle qu'ils ont actuellement. D'autant que la consommation de ces appareils risque d'augmenter dans les années à venir avec la multiplication des fonctionnalités : internet sur les portables... La réponse à ce besoin pourrait donc se faire rapidement avec l'apparition des micro-piles.

Par rapport aux batteries, les piles ont des densités d'énergie de 3 à 5 fois plus élevées, ce qui multiplie par autant la durée d'autonomie des appareils. Autre avantage des piles : elles n'ont pas besoin d'être rechargées puisqu'elles fonctionnent en continu du moment qu'elles sont alimentées en carburant (en général sous forme de capsule). Manhattan Scientifics annonce une autonomie de 6 semaines en veille et d'1 semaine de conversation avec un téléphone portable grâce à ses micro-piles.

Si de nombreux constructeurs s'intéressent de près à l'émergence de ce marché, ils se montrent discrets sur les performances atteintes par les systèmes. Néanmoins, des prototypes ont déjà été présentés à la presse, montrant que ces piles sont fonctionnelles et capables de faire fonctionner des appareils électroniques portables. Parmi ces constructeurs, on trouve : Ballard, Motorola, Global Thermoelectric, Manhattan Scientifics…

Etant donné qu'il existe un réel besoin en termes d'autonomie pour les applications portables, la pile à combustible peut devenir une solution. Sa part de marché pourrait atteindre 10 % de celui des batteries rechargeables d'ici 2010. Cependant cette technologie a encore besoin de mûrir (en particulier en ce qui concerne la miniaturisation) et le coût de ces systèmes doit être acceptable, or les coûts d'investissement demeurent très hauts. On estime que le coût à atteindre devrait être d'1 Euro/Watt.

4 Les filières de l’hydrogène

4.1 L’Analyse du Cycle de Vie

4.1.1 Le principe général du LCA

L’Analyse du Cycle de Vie, Life Cycle Assesment en anglais, permet d’intégrer les trois précédentes parties et de présenter les filières Hydrogène dans leur ensemble. Il consiste d’abord à combiner les différentes méthodes de production, de stockage, de transport et d’utilisation pour décrire toutes les filières théoriquement possibles. On obtient alors un schéma du type suivant :

Les différentes filières Hydrogène

L’ ACV permet de quantifier un effet comme le coût, la pollution ou le rendement pour une filière donnée. En effet, cela a peu de sens de parler du rendement de la PAC et du moteur électrique, par exemple, sans connaître celui de la production de l’hydrogène nécessaire à cette utlisation. Une fois ces calculs effectués, on peut connaître ensuite l’impact de plusieurs filières énergétiques et les comparer entre elles. On peut alors dégager un concurrent crédible aux filières traditionnelles, du type essence dans le cas du transport. Dans la suite, nous avons choisi l’exemple du transport automobile pour analyser l’impact que pourrait avoir une politique « Hydrogène » à son égard. La problématique du changement climatique restant notre préoccupation principale, il faudra donc examiner en particulier l’efficacité énergétique et les éventuelles émissions de gaz à effet de serre.

4.1.2 La méthodologie et la nomenclature

L’ACV compte traditionnellement plusieurs étapes. Elles se résument en quatre principales :

ü La production de l’infrastructure et des véhicules à hydrogène ;

ü La production de l’hydrogène ;

ü L’utilisation de l’hydrogène (les caractéristiques du véhicule sont à prendre en compte) ;

ü Le démantèlement et recyclage des infrastructures et véhicules à hydrogène.

En pratique, les premier et dernier points ne sont pas pris en compte car les données sont difficiles à établir, et on subodore que leurs effets sont moindres que les deux autres. Notons que nous n’avons pas occulté le stockage même s’il est l’intermédiaire entre la production et l’utilisation. Ces deux étapes ont la nomenclature suivante :

ü La production : c’est le Well-To-Tank (WTT) autrement dit du puits énergétique au réservoir de carburant ;

ü L’utilisation : c’est le Tank-To-Wheel (TTW) autrement dit du réservoir de carburant à la roue qu’on souhaite faire tourner.

L’ ACV est naturellement soumise à certains problèmes pratiques. On compte en effet :

ü Les données ne sont pas les mêmes d’une source à l’autre, et parfois inexistantes dans certains cas ;

ü Les technologies considérées ne sont pas encore à maturité, donc on ne connaît pas tous les rendements potentiels ;

ü Théoriquement, un nombre quasi-infini de filières sont possibles en combinant les moyens de production, stockage et exploitation.

Dans toute la suite, nous décrivons des ACV dans le cadre particulier de l’utilisation du transport. Nous avons choisi de restreindre ainsi le nombre de filières possibles. Par ailleurs cette application est particulièrement motivée par la R&D des grandes industries automobiles. Ceci explique que la littérature à son propos soit particulièrement riche, et nourrisse des polémiques. Nous avons souhaiter rendre compte dans cet exemple de la diversité d’opinions et de conclusions au sujet de la filière Hydrogène en présentant des études d’ACV d’un cabinet de consultants pour les énergies renouvelables d’une part, et d’un membre de l’Institut Français du Pétrole d’autre part. Nous les surnommerons les hypothèses « optimiste » et « pessimiste ».

Finissons par décrire les filières dont nous parlerons dans la suite. Que ce soit dans l’hypothèse optimiste comme pessimiste, certains termes reviennent régulièrement :

ü Gasoline, Diesel : les filières conventionnelles servant de repère ;

ü Référence à la partie I sur les moyens de production :

o Résidual Wood, wood plantation : à partir du bois

o NG : à partir du gaz naturel

o Nuclear : à partir du nucléaire

ü Référence à la Partie II : la différence CGH₂/ LH₂.

Ceci permet de comprendre les dénominations du type CGH₂ NG.

4.2 L’exemple du transport : l’hypothèse optimiste

Il s’agit d’une étude rendue en septembre 2003 par L-B-Systemtechnik GmbH, un cabinet allemand pour les énergies renouvelables et les systèmes de transport. Cette étude est particulièrement intéressante car elle détaille les étapes de l’ACV pour plusieurs critères. Présentons ses résultats pour les deux critères qui retiennent notre attention dans le cadre du changement climatique : la perte d’énergie et l’émission de gaz à effet de serre. Auparavant, elle approndit les performances des véhicules, ce qui se révèlera primordial par la suite où on verra que c’est la principale source de rendements améliorés par rapport à la filière conventionnelle.

4.2.1 Les caractéristiques des véhicules

Les caractéristiques matérielles des véhicules sont essentielles en tant que bout de la « chaîne ». Le tableau ci-dessous évalue l’efficacité des véhicules en fonction de leur modèle. Pour les véhicules à hydrogène, on a considéré la Pile à Combustible comme transformateur en énergie électrique. Il s’agit d’une synthèse de deux études : General Motors (2002) calcule l’efficacité des véhicules (en commençant par celle des moteurs), et le MIT (2003) calcule le gain en termes d’émissions de CO₂ (unité : g/km).

	Rendement (GM)	Consommation Fuel équivalent (MIT)	CO₂ (MIT)
Prévision 2010 Gasoline (BASE)	0%	0%	128
CH₂	+53%	-61%	0
CH₂ hybride	+57%	-66%	0
LH₂	+54%	Cf. CH₂	0
LH₂ hybride	+58%	Cf. CH₂ hybride	0

Une fois ce tableau établi, on peut mettre en évidence les progrès possibles en cas de véhicules à hydrogène en matière de perte d’énergie (Energy use), et d’émissions de gaz à effet de serre (GHG Emissions) pour les véhicules hybrides et non hybrides.

4.2.2 Les pertes d’énergie : Energy use

Etudions les pertes d’énergie des filières Hydrogène. Cette problématique est bien cohérente avec notre sujet puisqu’une filière économe diminue par effet de volume ses éventuelles externalités négatives. Ainsi un carburant pourrait être plus polluant mais aussi plus « dense » d’énergie et se retrouver par là-même plus intéressant. Le graphe suivant est représentatif de ce qu’on peut trouver dans les ACV. Les différentes filières sont présentées en abscisse et leurs pertes en ordonnée.

On se rend compte que dans la première partie de la chaîne, WTT, les filières Hydrogène sont globalement perdantes par rapport aux classiques puisqu’elles perdent plus d’énergie. C’est là qu’interviennent les caractéristiques des véhicules, autrement dit la deuxième partie de la chaîne qui est nettement en faveur de l’Hydrogène. Ainsi, au total (WTW), les filières à H₂ ont un meilleur rendement énergétique que le couple Gasoline, Diesel. Les graphes suivants corroborent cette affirmation en distiguant les véhicules hybrides et non-hybrides.

4.2.3 Les émissions de gaz à effet de serre : GHG Emissions

Une deuxième composante de l’effet environnemental est la production de gaz à effet de serre : Green House Gaz Emissions. Il s’agit d’un sujet actuellement très sensible, qui se trouve au coeur de notre Atelier Changement Climatique. De la même façon que pour l’Energy use, on distingue la chaîne en deux étapes. La première, WTT, présente les résultats suivants :

On se rend compte une nouvelle fois que certaines filières Hydrogène sont bien plus polluantes que les conventionnelles, dans la phase de production. Il s’agit plus précisément de celles issues du Gaz Naturel, ce qui est logique avec ce que nous avons évoqué en partie 1 : le dégagement important de CO₂ lors du vaporeformage. Néanmoins, lorsqu’on intègre toute la filière WTW, l’absence totale de dégagement de CO₂ dans les moteurs à hydrogène (cf. Partie 3) compense cet effet et nous avons les graphes suivants :

4.2.4 Conclusion de l’hypothèse optimiste

L’Analyse du Cycle de Vie prend ici tout son sens puisque ces graphes n’ont pas du tout la même allure si on ne prend pas la chaîne en entier (Well to wheel) mais seulement son début c’est-à-dire la production d’hydrogène (Well to tank). C’est dans le schéma global que la filière Hydrogène prend tout son intérêt, étant donné que les gains d’efficacité du véhicule sont très importants comparativement au moteur à explosion classique. Néanmoins nous remarquons que toutes les filières ne sont pas forcément avantageuses et qu’il ne faut pas parler de « la filière Hydrogène » mais bien « des filières Hydrogène ».

La mise en évidence de filières plus performantes que d’autres nous amène à prendre un peu de recul. En effet en revoyant les graphes on se rend compte que les filières Hydrogène les plus performantes sont celles à partir d’énergies renouvelables : CGH₂ Wood plantation, CGH₂ Wind offshore, LH₂ Wind offshore. On voit bien que ce n’est totalement pas dissocié du fait que L-B-Systemtechnik GmbH effectue des activités de conseil dans les énergies renouvelables. La volatilité des données et de leur interprétation nous conduit à considérer d’autres ACV, en particulier chez des institutions moins optimistes sur l’Hydrogène. Cette quatrième partie présente donc les forces et études en présence, et ne saurait avoir la prétention de dire laquelle est la plus pertinente.

4.3 L’exemple du transport : la problématique du coût

Une première critique, tout à fait justifiée, que l’on peut faire à l’étude suivante est de ne pas prendre en compte l’aspect économique. Une énergie non polluante n’a que peu d’intérêt si elle n’est pas commercialement acceptable par le plus grand nombre. Cette remarque prend tout son sens dans le cas de l’automobile où la masse des consommateurs est plus sensible au prix du carburant qu’à son effet néfaste sur l’environnement.

Les enjeux économiques sont les véritables défis de la filière « automobile à hydrogène ». Les principaux détracteurs de cette alternative mettent en évidence des coûts trop élevés, même dans les hypothèses optimistes. Nous prendrons, dans la problématique du coût la voix de l’IFP qu émet des remarques pertinentes. Reprenons quelques-unes des études de coûts.

4.3.1 Le coût du « Puits au Réservoir »

De même que pour l’Analyse du Cycle de Vie pour l’environnement, il est intéressant d’établir dans un premier temps un coût du Puits au Réservoir des différentes filières.

On voit que la fourchette des prix intégrés se situe entre 20 et 50 Euro/GJ. A titre de comparaison, les filières traditionnelles du pétrole coûtent environ 8 Euro/GJ. Les améliorations possibles, en plus d’innovations technologiques, se trouvent dans une meilleure gestion de la distribution : on envisage à ce titre d’utiliser la structure déjà existante des stations service pour y mettre des petites unités de production d’hydrogène. Néanmoins, le coût du puits au réservoir n’est pas le seul à prendre en compte. Dans notre souci d’intégrer tous les types de coût, il faut étudier la consommation du véhicule.

4.3.2 La consommation du véhicule

Pour cela, on fait l’hypothèse avantageuse pour l’hydrogène que le prix d’un véhicule équipé d’une Pile à Combustible est identique à celui d’un engin classique. Le tableau suivant met en évidence le coût aux 100 Km pour les différentes filières.

	Consommation (MJ/100 km)	Coût du carburant (Euro/GJ)	Coût (Euro/100 km)
MCI+essence	224	8	1.8
MCI+gazole	184	8	1.5
MCI Hybride+gazole	141	8	1.1
PAC + H2 comprimé ex-gaz naturel	84	25	2.1
PAC + H2 comprimé ex-charbon	84	32	2.7
PAC + H2 comprimé ex-biomasse	84	37	3.1
PAC + H2 comprimé ex-électricité France	84	42	3.5

Source : IFP d’après «Well-to-Wheels analysis of future automotive fuels and powertrains in the European context», EUCAR, JRC, CONCAWE, November 2003

On voit que le prix aux 100km reste supérieur de 15 à 100% aux solutions contemporaines. Il reste en effet de nombreux défis à l’industrie automobile à hydrogène, qui sont autant de surcoûs à réduire, pour s’affirmer comme un concurrent de l’automobile traditionnelle.

4.3.3 Les leviers évoqués

La PAC n’est pas proposée à un coût équivalent à celui des moteurs à combustion interne. Le coût des piles fabriquées à quelques exemplaires est supérieur à 3000 €/kW, comparé aux 30 à 50 €/kW pour les moteurs à combustion interne conventionnels, produits, il est vrai, en masse. Mais, même en émettant l’hypothèse d’une production des piles à grande échelle (plusieurs centaines de milliers d’exemplaires), l’avantage reste au moteur à combustion interne. En effet, le coût de production des PAC resterait compris entre 100 et 200 €/kW, soit trois à quatre fois plus qu’un moteur conventionnel, et ceci sans prendre en compte les moteurs électriques nécessaires à faire avancer le véhicule.

Parmi les éléments qui constituent la PAC, la membrane de la pile mais également le platine (Pt) catalyseur indispensable pour faire fonctionner ce type de convertisseur d’énergie sont les éléments les plus onéreux. Entre 50 et 100 g de Pt sont nécessaires pour faire fonctionner une PAC membranaire à basse température dans de bonnes conditions de durabilité, de rendement et de performance. Cette valeur est considérée par beaucoup comme trop élevée. En effet, la simple généralisation de la PAC au marché français (soit environ 2 millions de voitures par an) suffirait à générer une demande de l’ordre de 100 à 200 tonnes/an de platine, soit à peu près la consommation mondiale annuelle de ce métal précieux.

Le stockage de l’hydrogène à bord du véhicule reste également coûteux. Aujourd’hui, dans les meilleurs cas, des coûts de l’ordre de 1000 €/kg d’hydrogène stocké sont annoncés, certaines sources prévoyant même des valeurs quatre fois plus élevées. Or, ce sont 4 à 5 kg d’hydrogène qui sont nécessaires pour assurer au véhicule une autonomie suffisante (400 à 500 km), ce qui signifie qu’il faut aujourd’hui débourser, au minimum, de l’ordre de 4000 à 5000 € pour le stockage à bord du véhicule. Ce chiffre est à comparer aux 125 € que coûte un réservoir d’environ 40 litres pour un véhicule classique.

La production à grande échelle permettrait, certes, de réduire le coût du réservoir mais seulement dans la fourchette de 200 à 500 €/kg d’hydrogène selon le DOE (Département de l’énergie américain), qui indique que des progrès importants restent à faire dans ce domaine. Ainsi, si techniquement le stockage de l’hydrogène à bord du véhicule est maîtrisé, il reste encore de nombreux travaux de recherche à réaliser, notamment pour en abaisser le coût. Le DOE a d’ailleurs fixé des objectifs très ambitieux dans ce domaine, puisqu’en 2015 le coût du stockage de l’hydrogène devra être de l’ordre de 66 €/kg, soit une réduction d’un facteur 5.

4.4 L’exemple du transport : l’hypothèse pessimiste

La remarque du coût nous fournit la transition pour évoquer l’hypothèse pessimiste, elle aussi relayée par des études de l’IFP. De la même façon que pour L-B-Systemtechnik GmbH, on comprend qu’un tel organisme n’est pas totalement neutre à l’avenir de l’hydrogène. Celui-ci est en effet un concurrent direct au carburant classique issu du pétrole.

4.4.1 L’Analyse du Cycle de Vie de l’IFP

Plusieurs études ont été réalisées dans le but d’établir de façon plus précise l’intérêt des filières hydrogène en matière d’émission de gaz à effet de serre (GES) et de consommation d’énergie. Nous tirons ce graphique d’une étude de Stéphane His, IFP, de décembre 2003. Y sont positionnées les performances des différentes filières dans leur globalité, « du puits à la roue » WTW, pour effectuer 100 km, tant en termes de pertes d’énergie que d’équivalent CO2 émis. Les pertes d’énergie sont en abscisse et les dégagements de CO₂ en ordonnée.

Plusieurs résultats significatifs ressortent de cette analyse, que nous citons de l’article.

ü Le véhicule PAC alimenté par de l’hydrogène comprimé ex-éolien ou ex-biomasse présente les meilleurs résultats en termes de rejet de gaz à effet de serre. En termes de consommation énergétique, ces solutions s’avèrent parmi les plus performantes même si le gain reste faible, en particulier, par rapport aux véhicules hybrides (véhicule associant un moteur à combustion interne et un moteur électrique). Ces deux options présentent cependant le même inconvénient : le volume potentiel de production d’hydrogène par ces voies reste limité.

ü Le véhicule PAC alimenté par de l’hydrogène ex-électricité, via l’électrolyse, présente des bilans contrastés. Si l’origine de cette électricité est le nucléaire, le résultat est excellent en termes de rejet de gaz à effet de serre, mais beaucoup plus médiocre en termes de consommation globale d’énergie. Si l’électricité est produite à partir de la répartition moyenne actuelle européenne des différents modes de production, alors la filière ne présente aucun avantage ni vis-à-vis des émissions de GES, ni en termes de consommation d’énergie. Il faudrait donc une modification profonde des systèmes de production d’électricité en Europe avec un développement massif des énergies renouvelables (ENR) ou une large diffusion des technologies de capture et du stockage géologique du CO2.

ü Les solutions PAC utilisant de l’hydrogène ex-gaz naturel présentent un bon bilan, puisqu’elles permettent une réduction de 30 % en consommation d’énergie et de près de 50 % en rejet de gaz à effet de serre par rapport à la référence gazole. Ce gain est bien évidemment moindre si on le compare à la solution hybride puisqu’il n’est plus que de 35 % pour les rejets de gaz à effet de serre et de 15 % environ pour ce qui est de la consommation d’énergie. Par ailleurs, on notera l’effet négatif de la liquéfaction qui pénalise de près de 30 % cette option par rapport à la solution « hydrogène comprimé », aussi bien en termes de consommation d’énergie que d’émissions de gaz à effet de serre. Il faut également souligner que le bilan « effet de serre » de ces options à base de gaz naturel pourrait être amélioré, si elles sont envisagées avec capture et stockage géologique du CO2 généré.

ü Les solutions PAC avec reformeur embarqué n’offrent que très peu d’avantages par rapport aux solutions à moteur à combustion interne. Pour cette dernière conclusion, on gardera à l’esprit qu’il s’agit d’un des modèles à hydrogène les plus réalistes pour le moment, et que le commentateur de l’étude est affilié à un organisme promouvant la filière pétrolière.

4.4.2 Les leviers évoqués les plus récents

Nous évoquons ici les leviers que décrit Pierre-René Bauquis en janvier 2004 dans les « cahiers de l’économie ». Ce dernier souhaite affaiblir l’alternative « Hydrogène+PAC » au profit d’un large recours aux hydrocarbures de synthèse, accompagné d’une forte pénétration de l’électricité par le biais de véhicules hybrides rechargeables. Il fait l’hypothèse principale que les hydrocarbures quadrupleront leur prix à moyen-long terme. En guise de conclusion de cette partie, citons les points essentiels de ses récentes remarques.

ü La production est actuellement réalisée à 98% à partir d’hydrocarbures et de charbon. Bauquis traite ces méthodes avant d’étudier d’éventuelles alternatives :

o Les méthodes de production de l’hydrogène à partir d’hydrocarbures ne sont pas satisfaisantes. Elles coûtent deux fois plus cher que les hydrocarbures utilisés s’ils sont « chers » (reformage du gaz naturel) et cinq fois plus cher s’ils sont « bon marché ». Par ailleurs cela ne règle pas durablement la question de raréfication des hydrocarbures. De même le recours au charbon est nécessairement limité car les coûts liés à l’émission de CO₂, en fait à sa ségrégation, sont élevés.

o Parmi les autres procédés, la plus réaliste est l’électrolyse. Si on fait recours massivement aux voies électrolyse, il faudrait disposer massivement d’électricité non « émettrice » de CO₂. C’est donc le nucléaire qui jouerait ce rôle pour assurer les transports de demain, sauf percée technologique majeure. Il faudra alors développer des réacteurs du type HTR ou génération 4 qui combinent bon rendement énergétique et utilisation efficace de combustibles fissiles.

ü Le stockage : Bauquis soutient la thèse que la compacité énergétique de l’hydrogène est très bonne par masse, mais très médiocre par volume. Ce dernier élément en fait un très mauvais vecteur énergétique en matière de transports terrestres. Il avance les chiffres suivants :

o Le transport de l’hydrogène par canalisation coûtera deux fois plus cher que celui du gaz naturel, qui est cinq fois plus cher que celui des hydrocarbures liquides. Il s’agit selon lui de propriétés thermodynamiques intrinsèques, sans plus de précisions, qui ne peuvent être dès lors améliorées.

o La mise à bord et le stockage dans un véhicule coûtent cent fois plus cher que pour les carburants classiques. Dans tous les types de stockage (très haute pression, chimiquement combiné ou adsorbé) sauf l’hydrogène liquéfié cryogénique, la difficulté est liée à la faible masse d’H₂ par rapport à celle du contenant nécessaire. Ceci annule d’ailleurs l’effet de sa bonne capacité énergétique massique. En ce qui concerne l’hydrogène liquide cryogénique, les limitations sont plus posées en terme de volume du réservoir, de consommation d’énergie pour la liquéfaction de l’ H₂ et de « boil off » c’est-à-dire la nécessaire évaporation du liquide cryogénique. Ceci n’est pas tolérable pour des véhicules particuliers, pouvant être garés un certain temps.

ü Au total, l’Hydrogène lui apparaît un très médiocre vecteur énergétique en terme de coûts à trois stades essentiels : production, logistique tant massive que capillaire, et stockage à bord des véhicules. L’efficacité énergétique de son utilisation dans des piles à combustibles ne saurait compenser entièrement ces handicaps. L’existence de situations exceptionnelles comme l’Islande bénéficiant de circonstances locales, ne sont pas en mesure -à elles seules- d’infirmer ses conclusions.

5 Les technologies critiques et la dynamique d’émergence de l’hydrogène

Dans les années à venir, les besoins en énergie vont aller croissants. Bien que les progrès techniques permettront certainement des économies, la demande en énergie continuera à augmenter. Or, les énergies non renouvelables ne sont pas disponibles en quantité illimité, le développement d’autres sources d’énergie apparaît donc inévitable.

Ces sources d’énergies ne seront pas nécessairement exclusives ; il est probable qu’elles soient diversifiées et se complètent. Et, au moins dans un premier temps, lors de leur émergence, ces sources cohabiteront avec les sources non renouvelables : charbon, pétrole…

Parmi ces sources, l’hydrogène semble envisageable ^[18] dans le futur, compte tenu de l’état actuel de la technique. L’analyse cycle de vie montre en outre que l’hydrogène permettrait, selon l’application et la production choisies, de réduire les émissions de gaz à effet de serre par rapport à l’utilisation d’énergies non renouvelables. Pourtant, des critiques ^[19], comme celles évoquées dans la partie précédente, mettent en lumière les verrous limitant le développement de l’hydrogène, voire le remettant totalement en question. Le diagnostic doit donc être nuancé. A la fois les résultats de la LCA et les critiques portant sur l’hydrogène ne doivent pas être considérés comme absolus, mais plutôt replacés dans un horizon temporel, et convenablement circonscrits au niveau de la chaîne énergétique qu’ils concernent. Autrement dit, avantages et critiques sont loin d’être absolus, ils sont avant tout relatifs, et c’est ce dernier caractère qui fait l’objet de cette partie. C’est en évaluant la portée des critiques, et au vu les perspectives de recherche, qu’il est possible d’envisager une dynamique ^[20] de l’émergence de l’hydrogène.

5.1 L’analyse de court terme (2010)

Au niveau de l’alimentation mobile miniature, subsiste un verrou économique relativement facile à faire sauter, vu les progrès incrémentaux et attendus qu’il suppose. Les micropiles, petits réservoirs embarqués existant déjà, seront très vraisemblablement diffusées plus largement comme alternative aux classiques piles lithium. Malgré leur coût encore élevé, ces micropiles sont compétitives par rapport à ces piles lithium ou à certaines batteries rechargeables de téléphones portables ou de microordinateurs, aujourd’hui encore très onéreuses.

En revanche, l’alimentation des transports comporte encore des verrous sérieux. Ils sont de deux ordres, principalement. D’une part, il existe un verrou politique. Le lobbies des pétroliers et des constructeurs automobiles n’ont en effet que très peu intérêt au développement de l’hydrogène, les premiers parce qu’ils verraient une partie de la demande énergétique se détourner, les seconds parce que les frais de R&D requis seraient énormes. Aussi, la pression qu’ils exercent empêche un développement important de l’hydrogène dans les transports à court terme. D’autre part, il existe un verrou technique majeur, qui demanderait, pour être levé, une innovation colossale, et très improbable à court terme. Il s’agit du stockage de l’hydrogène, aujourd’hui soit trop cher (LH2), soit trop volumineux (CGH2), soit trop massif (réservoir utilisant l’adsorption) pour les transports. Aussi, dans le champ des transports, seule une multiplication des expérimentations semble aujourd’hui probable de la période actuelle jusqu’à 2010. On peut citer le projet actuel « Cute » d’équipement de villes européennes en bus à H2.

Cette évolution à court terme est conditionnée au soutien (public) suffisant de la recherche sur les technologies critiques, notamment le stockage et la sécurité, le rendement des piles, ainsi que leurs coûts et leur longévité.

5.2 L’analyse de moyen terme (2020)

A moyen terme, il est raisonnable de penser, au vu des mesures et des prévisions actuelles de réchauffement climatique, que la diminution de l’émission des gaz à effet de serre deviendra une préoccupation de premier ordre, à audience politique large. Cette hypothèse pourrait, si elle est vérifiée, ce qui n’est pas invraisemblable, lever des verrous, qui à court terme semblent insurmontables, tant d’un point de vue de la production énergétique, que de son utilisation.

Du point de vue de l’utilisation, deux verrous pourraient sauter. Il s’agit du verrou politique ; la position des lobbies des pétroliers et des constructeurs automobiles est de moins en moins recevable sur la scène publique. Même les solutions de rechange proposées, comme l’hydrogénation de charbon ou de pétrole (permettant de polluer un peu moins) ne sont plus perçues comme suffisantes. Le verrou social pourrait être levé également. Ce verrou est basé sur la peur du risque que constitue, dans l’esprit de beaucoup, une énergie telle que l’H2 : risque d’explosion des réservoirs, sensible dans le transport notamment. Ce verrou pourrait être levé, il ne demande pas d’innovation technique majeure, mais le risque d’explosion devient en effet psychologiquement moins important que celui lié au réchauffement climatique. Autrement dit, une peur en surpasserait une autre, ou en tout cas deviendrait moins acceptable socialement qu’une autre. En revanche, un verrou technique persiste. Le stockage de l’H2 demande une innovation majeure et encore incertaine, sauf dans le domaine du transport aérien (où les contraintes de poids existent, mais moins les contraintes de volume).

Du point de vue de la production, l’augmentation de la demande demanderait un accroissement de l’offre. Parmi les différentes technologies envisageables, seules certaines semblent susceptibles d’être développées : la production à partir d’électricité, notamment nucléaire, et à partir d’énergies non renouvelables utilisées dans des unités centralisées permettant la séquestration du CO2. En effet, ces deux modes de production permettraient de répondre aux préoccupations de réduction des gaz à effet de serre. Les autres méthodes semblent bloquées par des verrous. Le reformage du gaz naturel est bloqué par un verrou économique ; il serait en effet trois fois plus cher « à la pompe » que les énergies classiques. Productions éolienne et géothermique seraient bloquées par des verrous économique (transport onshore) et technique (stockage). Enfin, un verrou politique freinerait la production d’H2 à partir de biomasse : les contraintes d’utilisation des sols dans les pays en ayant le plus besoins (Chine et Inde, par exemple, du fait de leur forte démographie) seraient en effet sensibles. La recherche serait orientée vers d’autres sources d’énergie non carbonées, comme les sources d’énergie solaire, thermale ou nucléaire.

5.3 L’analyse de long terme (après 2020)

Les contraintes liées aux verrous technologiques deviennent plus difficiles à évaluer. Mais, un verrou, économique celui-là, devient particulièrement sensible : il s’agit du renouvellement du parc de centrales nucléaires. Ce renouvellement pose un sérieux problème, puisqu’une augmentation du prix de l’électricité est à prévoir, alors que l’électricité nucléaire avait été identifiée à moyen terme comme une des principales sources de production d’H2.

En tout cas, les besoins en infrastructures de distribution devraient aller croissant. L’économie sera vraisemblablement à énergie multi sources.

Conclusion

Le champ de l’hydrogène est arborescent : il existe de nombreuses technologies de production et de nombreuses applications possibles. Une présentation exhaustive, esquissée dans les trois premières partie de cette étude, reste difficile.

L’hydrogène a sa place dans les systèmes énergétiques. En effet, il présente des avantages indéniables, en termes de rendements comme en termes d’émissions de gaz à effet de serre, avantages qui pourraient participer à sa généralisation dans un contexte de souci croissant concernant le réchauffement climatique.

Néanmoins, cette place dans les systèmes énergétiques n’est pas à surestimer. D’une part, l’analyse cycle de vie atteste de la très grande dépendance des rendements et des émissions de gaz à effet de serre vis-à-vis de la technologie utilisée pour la production, la distribution et l’application finale. D’autre part, il ne faut pas perdre de vue que de tels avantages ou inconvénients sont relatifs à une période donnée, c’est-à-dire datés. Il est vraisemblable que l’hydrogène sera plutôt un des vecteurs énergétiques disponibles, tant dans les domaines des applications miniatures mobiles, que dans celui des transports. Dans ce dernier champ, la dynamique d’émergence sera certainement plus lente ; et elle ne sera très probablement pas exclusive, c’est-à-dire que l’hydrogène cohabitera avec d’autres vecteurs énergétiques.

L’évaluation de la filière hydrogène à laquelle nous avons procédé à partir de notre quatrième partie est relativement concentrée sur les problématiques de transport. Une telle démarche pourrait être répétée pour d’autres applications, comme la fourniture d’énergie domestique et le chauffage particulier. Cette étude serait d’ampleur bien plus importante, mais elle permettrait de décrire un panorama plus large.

Bibliographie

Stéphane His, IFP, L’Hydrogène, vecteur énergétique du futur ?, Décembre 2003

http://www.ifp.fr/IFP/fr/fichiers/cinfo/IFP-Panorama04_11-HydrogeneVF.pdf

Kei Yamashita et Leonardo Barreto, IIASA, Integrated Energy Systems for the 21th Century : Coal Gasification for Co-producing Hydrogen, Electricity and Liquid Fuels, Septembre 2003

http://www.iiasa.ac.at/collections/IIASA_Research/Admin/PUB/Documents/IR-03-039.pdf

Martin I. Hoffert, Ken Caldeira et al., Advanced Technology Paths to Global Climate Stability : Energy for a Greenhouse Planet, Science, Novembre 2002

fire.pppl.gov/science_adv_energy_103102.pdf

L-B-Systemtechnik, Well-to-Wheel Analysis of Energy Use and Greenhouse Gas Emissions of Advanced Fuel/Vehicle Systems - A European Study, Juillet 2003

http://www.lbst.de/gm-wtw/

Jörg Schindler, LCA of Hydrogen Fuel, Septembre 2003

http://www.hyweb.de/Wissen/pdf/H2-LCA_EHEC_Schindler_03SEP2003.pdf

Commission Européenne, Hydrogen energy and fuel cells, a vision for our future, High level group for Hydrogen and fuel cells, Summary Report, Juin 2003

http://europa.eu.int/comm/research/energy/pdf/hlg_summary_vision_report_en.pdf

Werner Zittel, Reinhold Wurster, Ludwig-Bölkow-Systemtechnik, Hydrogen in the Energy Sector, Juillet 1996

http://www.hyweb.de/Knowledge/w-i-energiew-eng4.html

Pierre-René Bauquis, Quelles énergies pour les transports au XXI^esiècle ?, Les cahiers de l’économie, Janvier 2004

Liens Internet

www.eere.energy.gov : site du département américain de l’énergie

www.hyweb.de : site d’information sur l’hydrogène et les piles à combustible

www.hynet.info : site thématique européen sur l’hydrogène

www.lbst.de : site de la fondation allemande Ludwig-Bölkow sur les énergies propres

www.enaa.or.jp/WE-NET/index.html : site japonais sur l’hydrogène

La pile à combustible

L'hydrogène et l'oxygène brûlent facilement ensemble, produisant de l'eau et une très grande quantité d'énergie thermique. Dans une centrale électrique, cette énergie thermique peut être utilisée pour fabriquer de l'électricité : les deux gaz entrent en combustion dans un brûleur, la chaleur ainsi dégagée fait bouillir de l'eau, la vapeur d'eau fait tourner une turbine, la turbine fait tourner une génératrice et la génératrice produit de l'électricité. Cela fait un grand nombre d'intermédiaires entre les deux gaz et l'électricité : le brûleur, l'eau, la turbine et la génératrice. Il existe un moyen chimique pour produire directement de l'électricité à partir d'hydrogène et d'oxygène, sans intermédiaires : la pile à combustible.

L'hydrogène

Imaginez un bac rempli d'eau. De l'hydroxyde de potassium, KOH, est dissout dans l'eau.

Comme tout sel dissout dans de l'eau, le KOH est ionisé en K⁺ et OH^-.

Dans le fond du bac, on place une pomme de douche, par laquelle on envoie de petites bulles d'hydrogène, H₂.

Du fait de la présence d'un catalyseur, l'hydrogène et les ions OH^- ont tendance à réagir ensemble, pour former des molécules d'eau, H₂O :

H₂ + 2 OH^- 2 H₂O + 2 e^-

(Tout comme l'hydrogène peut brûler avec l'oxygène, O₂, il peut "se contenter" de brûler avec des OH^-.)

Le problème, c'est que dès qu'un atome d'hydrogène se lie à un OH^-, l'électron en trop du OH^- se retrouve isolé. Alors, de force, cet électron se réintroduit dans une molécule d'H₂O, reprend son orbite, casse la molécule, et chasse un H :

2 H₂O + 2 e^- H₂ + 2 OH^-

Résultat : On revient au point de départ. Tout se passe comme si les H₂ ne réagissaient pas avec les OH^-.

Solution : on va plonger un fil électrique dans le liquide. Ainsi, il pourra recevoir les électrons qui "débordent" de la réaction. Les électrons vont s'insérer de force dans le fil électrique.

Il faut que les électrons entrés dans le fil, puissent le quitter par un autre endroit. Sinon le fil atteindra une charge électrique trop négative par rapport à l'eau (-1.8 Volts (table redox)). Alors, les électrons, repoussés par le fil, iront de nouveau casser des molécules d'eau. (Voir le chapitre "Solution".)

Deuxième problème : la réaction consomme des OH^-.

Bien avant que tous les OH^- ne soient consommés, la réaction va s'arrêter. Car les électrons rejetés lors de la consommation des OH^- partent par le fil, et l'eau devient rapidement électriquement positive. Les électrons suivants ne peuvent plus monter dans le fil : ils seront attirés par l'eau. Il faut d'ajouter des OH^- en permanence, par un procédé décrit au chapitre "Solution".

L'oxygène

Soit une deuxième cuve remplie d'eau, dans laquelle on dissout également du KOH.

On place une pomme de douche dans son fond, d'où sortent de petites bulles d'oxygène, O₂.

Du fait de la présence d'un catalyseur, et de la forte basicité du milieu, les molécules d'O₂ et les molécules d'eau, H₂O, vont avoir tendance à réagir ensemble pour former des OH^-. L'oxygène "brûlant" ainsi de l'eau :

O₂ + 2 H₂O + 4 e^- 4 OH^-

Le problème, c'est qu'il manque les électrons nécessaires pour former les OH^-.

Solution : on plonge dans le bac un fil électrique capable d'amener des électrons.

Tant que le fil peut fournir des électrons, la réaction continue. Si le fil venait à atteindre un potentiel positif de 0,43 Volts par rapport à l'eau (table rédox), la réaction n'arrivera plus à pomper des électrons sur le fil, et elle s'arrêtera.

Deuxième problème : En pompant des électrons, pour fabriquer des OH^-, la solution devient rapidement électriquement négative. Cela tend à chasser les électrons du fil, et donc à stopper la réaction. Il faudrait, pour qu'elle continue, laisser partir les OH^- fabriqués.

Solution

a. On place les deux cuves l'une contre l'autre et on met leurs liquides en contact à travers une cloison poreuse. (Plus simplement, on peut utiliser une seule grande cuve, et mettre une distance suffisante entre les deux pommes de douche.) Grâce à ce contact entre les deux liquides, les ions OH^- en trop dans la deuxième cuve vont pouvoir entrer dans la première cuve, où justement il en manque.

Accessoirement, la deuxième cuve pourra puiser le peu d'eau qu'elle consomme dans la première, qui elle en produit beaucoup.

b. On relie les fils électriques des deux cuves entre eux, afin que les électrons introduits de force dans le fil de la première cuve puissent alimenter le fil de la deuxième cuve, où justement on en "aspire".

Vu la force avec laquelle les électrons sont injectés et pompés dans les fils, si on place une lampe sur le chemin des électrons, elle va s'allumer.

Comme le fil de la première cuve injecte des électrons avec une force électromotrice de 0,8 Volts, et que celui de la deuxième cuve pompe ces électrons avec une force de 0,43 Volts, la différence de potentiel aux bornes de la lampe sera de 1,23 Volts.

Si la deuxième cuve consomme exactement le même nombre d'électrons que le nombre produits par la première, alors la première consommera exactement tous les OH^- produits par la deuxième.

c. On laisse "bouillir à petit feu" les deux cuves, afin que l'excédent d'eau produit dans la première, parte par évaporation. (La température de fonctionnement étant de 250 °C, on maintient donc une surpression adéquate, pour que juste la quantité d'eau nécessaire s'évapore.)

pile a combustible

On a ainsi un système où l'on injecte de l'H₂ et de l'O₂, et d'où on retire de la vapeur d'eau et de l'énergie électrique.

Si on coupe la liaison électrique entre les deux cuves, les réactions s'arrêtent dans les deux cuves.

Si on coupe le lien liquide entre les deux cuves, les réactions s'arrêtent également.

Remarques

Les réactions chimiques évoquées engendrent peu de chaleur. Toute l'énergie part dans la force donnée aux électrons pour s'insérer dans le fil électrique, puis le quitter. Donc, c'est la lampe qui récolte presque toute l'énergie de la réaction :

La fabrication d'une mole d'H₂O entraînera la circulation de 2 . 6,02 . 10²³ électrons, soit 192640 Coulombs. Sous une différence de potentiel de 1,23 Volts, cela fait une énergie de 237 kj. L'énergie de formation de l'H₂O étant de 242 kj, nous voyons que ce système a un rendement théorique de près de 100%.

(En cas de court-circuit, les variations de quantité de mouvement des électrons se feront dans les cuves au lieu de se faire dans la lampe. Alors toute l'énergie engendrée servira à faire chauffer fortement les deux cuves.)

Autour des cuves, on placera toute une machinerie qui injecte les gaz puis récolte les gaz inutilisés et la vapeur qui sort des cuves. Un filtre au paladium, par exemple, peut laisser passer l'hydrogène mais pas l'oxygène ou la vapeur d'eau. Les gaz inutilisés peuvent être réinjectés dans les cuves. La machinerie contrôle le niveau d'eau et les températures, afin que l'excédent d'eau fabriqué dans la première cuve soit évaporé. Avec les pertes inévitables, et l'énergie nécessaire pour alimenter la machinerie, une pile à combustible fournit de l'énergie électrique avec un rendement de typiquement 60%.

En pratique, on ne plonge bien sûr pas de simples fils électriques dans les cuves, mais des éponges de métaux bien choisis. Des métaux qui sont justement les catalyseurs des réactions (nickel). (La forme d'éponge permettant d'avoir une très grande surface en contact avec l'eau.)

Afin de pouvoir rapprocher les cuves sans que les bulles d'oxygène et d'hydrogène ne puissent se rencontrer on placera une paroi de séparation poreuse entre les deux. L'eau et les ions OH^- peuvent traverser la paroi, mais pas les bulles de gaz. (Si une molécule d'hydrogène entre dans la zone de l'oxygène, elle entrera en combustion simple avec l'oxygène, avec production de chaleur et pas d'électricité. De même, réciproquement, si une molécule d'oxygène entre dans la zone de l'hydrogène.)

Le KOH, les catalyseurs, et la température de 250 °C ne sont pas fondamentalement nécessaires; ils ne sont là que pour permettre, accélérer et véhiculer la réaction. (Par exemple : l'eau seule pourrait fournir les ions hydroxydes OH^- nécessaires.) Les éléments strictement indispensables sont l'hydrogène, l'oxygène, l'eau, et les fils électriques. L'hydroxyde de potassium KOH est une base forte. Certaines piles utilisent au contraire un acide fort, par exemple de l'acide chlorydrique HCl.

Pour pouvoir se passer de catalyseur, ou consommer des produits insolubles, Il faut placer les cuves à des températures de 600 à 1100 °C. Les produits sont alors facilement ionisés, et réagissent toujours entre eux (du moment qu'il y ait un fil électrique où injecter ou pomper un électron). Certain sandwichs de céramiques permettent de se passer d'eau et de KOH.

Il existe des piles à combustible conçues de façons différentes de celle évoquée dans ce texte. Par exemple les piles PEMFC. De nombreuses techniques très différentes existent. Elles permettent d'utiliser des carburants plus complexes que l'hydrogène, comme le méthane, le méthanol, l'alcool, le sucre... de se passer de milieu liquide, de fonctionner à basse température ou de réduire les coûts et le nombre de pièces... (Il y a un problème avec les piles qui utilisent des carburants complexes comme de l'essence ou du méthanol : elles finissent encrassées et s'arrêtent. Seuls les piles qui fonctionnent avec des carburants très simples comme l'hydrogène restent propres.)

Il est possible de faire fonctionner une pile à combustible hydrogène-oxygène à température ambiante, en utilisant une électrode de platine côté oxygène et une électrode de Nickel avec un dépôt électrolytique de noir de platine côté Hydrogène. Une petite pile de cette sorte peut être fabriquée pour un travail scolaire. Je tiens à préciser que je n'ai jamais essayé moi-même ce dispositif et que je n'ai jamais eu de compte-rendu de groupes scolaires ayant réussi à le faire fonctionner. Il est impératif que sa réalisation soit supervisée par une personne compétente. L'hydroxyde de potassium ou de sodium sont des produits dangereux, corrosifs, surtout si la concentration et la température sont élevées. Une "douche" doit être présente pour pouvoir laver instantanément et à grandes eaux d'éventuelles projections. C'est une question de secondes. Il faut éviter de mélanger l'hydrogène et l'oxygène, il y a risque d'explosion. Les quantités de gaz dans le système ne doivent pas dépasser quelques cm³. Il ne faut utiliser que des récipients et éprouvettes largement ouverts, pour que toute surpression puisse s'écouler instantanément en produisant le minimum possible de mouvements. Il ne faut pas faire buller en continu de l'hydrogène et de l'oxygène, qui pourraient s'accumuler dans la pièce. Mieux vaut en accumuler juste quelques cm³ dans deux éprouvettes retournées, où les électrodes affleurent. Si l'on fait tout de même buller de l'hydrogène en continu (cela augmente la puissance électrique de la pile), il faut veiller à ce que la pièce soit très bien ventilée. En particulier il faut éviter que de l'hydrogène puisse s'accumuler près du plafond. Il faut utiliser une faible concentration d'hydroxyde de potassium ou de sodium et arrêter tout de suite l'expérience si le milieu chauffe de plus de quelques degrés. Enfin, ce n'est pas parce qu'une tension électrique apparaît entre les deux électrodes que la pile fonctionne. Tous les systèmes électrolytiques produisent des tensions électriques "parasites". Il faut vérifier que les gaz sont bien consommés quand on laisse passer le courant, que la tension à vide est bien celle qui correspond au couple hydrogène-oxygène et qu'un courant peut-être faible mais réel et constant passe pendant longtemps.

On trouve en vente en ligne sur Internet de petites piles à combustible à assembler soi-même. Les deux modèles dont j'ai vu des photos sont couplés à une maquette de voiture électrique. Je n'ai pas pu essayer ces piles moi-même mais j'ai une crainte que ce soit une arnaque. L'oxygène et l'hydrogène sont produits dans la pile par électrolyse. Ensuite la pile fournit du courant, ce qui permet de faire avancer la voiture. Je crains que le courant ne provient pas de la consommation de l'hydrogène et de l'oxygène mais simplement de la réaction de dépôts sur les électrodes. (Il existerait des kits sérieux en vente, qui contiennent les électrodes spéciales nécessaires et une membrane poreuse adéquate. Ces piles pourraient réellement fonctionner à partir d'hydrogène et d'oxygène qu'on leur injecte. Mais je n'ai pas de référence.)

La pile glycérine-permanganate

L'auteur a réalisé une pile consommant de la glycérine et du permanganate de potassium. Ce dispositif-là doit pouvoir être réussi dans le cadre d'un travail scolaire. Ces composés réagissent ensemble à température ambiante, sans catalyseur. La glycérine remplace l'hydrogène. Elle est un carburant, très semblable au sucre. Le permanganate est un oxydant, capable de libérer facilement de l'oxygène. C'est un bon comburant. La fabrication d'une pile permanganate-glycérine est très facile. Il faut dissoudre un peu de permanganate de potassium dans un grand verre d'eau (pas plus de dix grammes par litre d'eau), y plonger le bout dénudé d'un fil électrique, plier une feuille en papier (papier filtre si possible, c'est plus adapté) pour fabriquer une éprouvette poreuse, verser un mélange d'eau et de glycérine (pas plus de dix grammes par litre d'eau) dans cette éprouvette, y placer le bout dénudé d'un deuxième fil électrique, et plonger l'éprouvette dans le verre de permanganate dissout. Une tension électrique apparaîtra entre les deux fils. (J'ai utilisé deux plaques de carbone comme électrodes. Elles offraient une grande surface et sont chimiquement neutres.)

pile a combustible

Attention : le mélange de permanganate de potassium et de glycérine purs prend feu spontanément en quelques secondes. Un mélange de permanganate et de glycérine dilués dans peu d'eau peut entrer en ébullition soudaine et faire des projections brûlantes et corrosives dont les dégâts sont instantanés et irréparables. Il faut impérativement diluer une faible quantité de chacun des deux produits dans une grande quantité d'eau. De sorte que si les deux se mélangent par accident la réaction ne produira une élévation de température que de quelques degrés, sans aucun danger d'ébullition ou d'explosion. En toutes circonstances, appliquez les mesure de protection et de précaution d'usage en chimie. Travaillez sous la surveillance d'une personne compétente. La glycérine n'est pas toxique. A faibles doses le permanganate de potassium n'est pas toxique non plus mais il tâche irrémédiablement les vêtements. Ne vous dites jamais que vous êtes sûr que les deux produits ne se mélangerons pas et que vous pouvez donc utiliser des concentrations élevées. Ce serait criminel. Un très grand nombre d'erreurs anodines ou de petits imprévus peuvent aboutir au mélange des produits. Ce n'est que pour des dispositifs industriels ou militaires, conçus par des professionnels et munis de nombreux systèmes de sécurité et de protections, que l'on peut se permettre d'utiliser des concentrations et des quantités élevées. Malgré ces précautions et ce professionnalisme, il arrive des accidents. Un exemple d'accident auquel on ne penserait pas : s'il y a un court-circuit entre les électrodes la température des produits peut monter jusqu'à l'ébullition. Pourtant les deux produits ne se mélangent pas... Si les produits sont très dilués, la température montera mais pas jusqu'à l'ébullition.

Si ce dispositif est réalisé, fonctionne et est montré en public, une manip' intéressante (à réaliser sous la surveillance d'une personne compétente) consiste à montrer la combustion du permanganate de potassium et de la glycérine (tous deux purs, sans eau, sinon il pourrait y avoir des projections). Pour cela il faut disposer d'une surface assez large et résistante au feu. Au centre de la surface on verse une cuillère à soupe de permanganate de potassium en poudre (cela peut être une poudre grossière). Ensuite on verse un peu de glycérine et on mélange rapidement les deux produits. Il faut verser peu de glycérine, juste assez pour former une pâté dure, à laquelle on donne la forme d'un petit tas compact. Après quelques secondes le petit tas fumera puis prendra feu. C'est très joli, spectaculaire et sans danger si c'est fait correctement. (Un lecteur me signale que pour lui la réaction ne démarre qu'en ajoutant quelques gouttes d'acide. Une page sur le Web donne un protocole légèrement différent : cliquez ici.) On peut alors expliquer à l'audience que c'est la même réaction qui a lieu dans la pile, mais qu'au lieu de laisser la combustion se dérouler de cette façon anarchique et produire de la chaleur, dans la pile on la force à produire son énergie sous forme d'un courant électrique.

Notez que la réaction de combustion est complète alors que la réaction dans la pile est sans doute partielle. La réaction dans la pile est probablement celle-ci côté permanganate :

KMnO₄ K⁺ + MnO₄^-

MnO₄^- + 2 H₂O + 3 e^- MnO₂ + 4 OH^- E° = 0,6 V

Et peut-être celles-ci côté glycérine, où de l'acide glycérique ou de l'acide oxalique sont sans doute produits (référence) :

CH₂OH-CHOH-CH₂OH + 4 OH^- - 4 e^- CH₂OH-CHOH-COOH + 3 H₂O

CH₂OH-CHOH-CH₂OH + 11 OH^- - 11 e^- COOH-COOH + COOH + 8 H₂O

La tension électrique est de l'ordre de 0,5 Volts. Cette pile ne donnera jamais un courant d'une intensité très élevée. On pourrait être tenté d'augmenter ce courant en augmentant la taille du dispositif ou les concentrations. Il ne faut pas faire cela, c'est trop dangereux. Par contre les moyens suivants ne posent pas de problèmes :

Rapprocher les électrodes.
Utiliser des électrodes de plus grande surface. Eventuellement même grouper plusieurs électrodes en faisceaux.

Les données sur la pile permanganate-glycérine ont été complétées par des renseignements fournis par Vincent Flavien du Lycée Pasquet de Arles.

Mise en garde

La pile à combustible est de plus en plus souvent sujet d'expériences en classe, de labos individuels... Si ces expériences sont faites sous la surveillance d'un professeur de chimie il n'y a pas de problème. Par contre faire ce type d'expériences à la maison n'est pas forcément une bonne idée. Des produits combustibles et potentiellement explosifs sont impliqués. Il faut se méfier des enfants. Un jour, chez des amis, j'ai ouvert une simple pile électrique. Cela consistait essentiellement à réussir à détacher la capsule scellée qui ferme la pile. Bien que cela ne me soit jamais arrivé, j'ai expliqué à tout le monde qu'il y avait un risque que la pression à l'intérieur de la pile éjecte la capsule avec force. J'ai expliqué que j'allais diriger la pile constamment dans une certaine direction vers ma gauche. Il y avait un enfant de 10 ans présent et j'ai praticulièrement insisté auprès de lui pour qu'il ne se mette pas dans la direction d'une éjection possible de la capsule. Pendant quelques minutes j'ai forcé sur la capsule avec des tournevis. Une petit explosion s'est faite entendre et la capsule a été éjectée. L'improbable s'était produit. Tout de suite il y a eu un cri de douleur. L'enfant s'était mis sur la trajectoire de la capsule. Je n'avais pas fait attention, j'étais concentré sur la pile et les tournevis. Je n'avais pas vu qu'il s'était placé sur ma gauche, pile sur la trajectoire possible de la capsule. Il n'avait pas été touché par la capsule mais par une petite quantité d'électrolyte chaude et corrosive, éjectée en même temps que la capsule. Il l'avait reçue dans l'oeil. J'ai eu beaucoup de chance, il a suffit de mettre tout de suite le visage de l'enfant sous un robinet pour nettoyer tout l'électrolyte. Il n'y a pas eu de séquelles. Je me suis fait injurier par l'enfant. Il était furieux contre moi. Il n'y a pas de méchanceté chez cet enfant, simplement c'est un enfant. Il ne comprend pas le sens du mot "danger". Quand je lui ai expliqué qu'il y avait un danger s'il se plaçait sur ma gauche, il a simplement compris que c'est sur ma gauche que les choses intéressantes allaient se passer... Il avait donc "suivi mon conseil".

Alternative Hydrogène

Une solution qui Arrange

03 février 2009

L'Alternative Hydrogène : une solution qui Arrange

Consultez reportages et interventions d'Alternative Hydrogène : Alternative Hydrogène TV

Flash spécial :

La conférence - débat du mercredi 29 avril 2009 : Allez sur cette note Alternative Hydrogène TV

Vour retrouverez les interventions de :

- monsieur Jean Robieux, père mondial du principe de fusion nucléaire par laser, membre de l'Académie des Sciences.

- monsieur Thierry Alleau, président d'honneur de l'Association Français de l'Hydrogène (www.afh2.org) et membre du bureau de l'Association Européenne de l'Hydrogène www.h2euro.org

- monsieur Pierre Beuzit, ancien directeur de la Recherche de Renault, président d'Alphéa Hydrogène (www.alphea.com) et de www.ineva-cnrt.com/

Documents complémentaires

· Actualités

· Liens Internet Alternative Hydrogène

· Revue de Presse Alternative Hydrogène

· Vidéo BMW Série 7 Hydrogène

· Vidéo Bus et divers

· Vidéo Kart à Hydrogène

· Vidéo voitures à pile à combustible

NOTE GENERALE Alternative Hydrogène

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Auteurs : Julien IRONDELLE et Max STELLMACHER

« L'eau, décomposée en ses éléments par l'électricité […] sera un jour employée comme combustible […] L'Hydrogène et l'oxygène qui la constituent, utilisés isolément où simultanément, fourniront une source de chaleur et de lumière inépuisables. », Jules Vernes, l’Ile mystérieuse, 1874.

Premier film Détails sur le record de la BMW H2R (302,4 Km/h, le 30 septembre 2004, Miramas, France)

Introduction

Concilier développement durable et développement économique

Le développement d’une nouvelle économie basée non plus sur les hydrocarbures, mais sur l’Hydrogène sera un moyen de renouer avec la Croissance, la création d’entreprises et d’emplois.

L’Alternative Hydrogène est plus proche de la phase industrielle que de la recherche appliquée, mais il faut lancer un défi politique, au niveau français et européen, pour amorcer une synchronisation industrielle et économique.

Ce défi pourrait être lancé en perspective de la future conférence de l'ONU sur le climat en décembre 2009, a Copenhague.

Si le pari est réussi, la France économisera 42 milliards d'euros en approvisionnement énergétique. De plus, la France sera en tête du développement durable, avec l’exportation de nombreux produits et services, qui financeront notre cohésion sociale.

En comparaison, la France est aujourd’hui parmi les leaders de l’industrie nucléaire, ferroviaire, aérienne et spatiale, grâce aux choix politiques faits dans les années 60 et 70.

L’Alternative Hydrogène :

- contribuera à la lutte contre le réchauffement climatique,

- résorbera la pollution atmosphérique,

- assurera l’indépendance énergétique,

- luttera contre l’augmentation tarifaire de l’eau et des matières alimentaires,

- et contribuera à l’atténuation des conflits financiers et armés dus à l’énergie.

Nous allons tenter de démontrer dans ce document la nécessité et la faisabilité de l’Alternative Hydrogène.

NB : Quand nous évoquons l’Hydrogène avec un H majuscule, nous évoquons la molécule d’hydrogène : le dihydrogène ou H2. Nous ne la confondons pas avec l’hydrogène, avec un h minuscule, que nous désignons comme l’atome d’hydrogène.

La fin programmée de l’économie liée aux hydrocarbures

Les réserves limitées du pétrole, source d'énergie clé.

Par rapport au charbon et au gaz, le pétrole est une source d'énergie clé, notamment par son rôle dans le transport terrestre, maritime et aérien, dans la production agricole, dans le BTP et autres secteurs faisant appel à des machines outils fonctionnant avec le pétrole.
Même si les réserves réelles ne sont pas exactement connues, la fourchette entre l’estimation haute et basse du déclin de la production de pétrole est de plus de 20 ans. Le dépassement du pic de Hubbert ( définition Wikipedia) est définitivement prévu dans un avenir proche à l’échelle de l’humanité , moins que le durée moyenne d’une vie. C'est-à-dire de façon certaine notre mode de vie ne pourra pas être prolongé jusqu’à la durée de vie de nos enfants, les petits enfants des baby-boomers.

Pour rappel, les réserves mondiales prouvées de pétroles sont estimées à 40 ans de consommation, celles du gaz entre 60 à 100 ans de consommation, et celles du charbon à environ 200 ans de consommation.( cf site web de Jean-Marc Jancovici )

L’impact sur la modification climatique.

De façon de plus en plus certaine, nous savons que l’utilisation d’énergie fossile, charbon, pétrole, gaz, est responsable de modifications potentiellement majeures du climat.

Ces modifications rapides peuvent avoir des résultats catastrophiques. Dans des nations modernes et urbanisées, le déplacement rapide des terres fertiles sera incompatible avec la capacité de migration des populations humaines,

Elles peuvent provoquer l’extinction en masse des espèces qui vivent dans des espaces naturels non contigus du fait l’extension des activités humaines. En effet si ces espèces se trouvent dans des poches isolées, la faune et la flore ne pourront pas toujours migrer pour suivre le déplacement des conditions favorables à leur survie.

Il est inutile de débattre pour savoir la quelle des ces deux menaces nous force à réagir car elles sont toutes les deux graves, d’une probabilité quasi certaine et imminente, moins que la durée d’une vie.

Autre inconvénient de l’énergie fossile : la dépendance énergétique

« L’Union européenne, qui consomme environ 16 % de l’énergie mondiale, est le premier importateur du monde.

De 1994 à 2004, le taux de dépendance énergétique de l’Union a considérablement augmenté, puisqu’il est passé de 43 à 50,5 % (Eurostat 2007).

Les hydrocarbures jouent un rôle primordial dans cette situation. Le pétrole et le gaz naturel, qui ont fourni 61 % de la consommation énergétique en 2004, doivent être en grande partie importés. Les seuls gisements européens importants sont ceux de la mer du Nord qui fournit actuellement la moitié du gaz et un quart du pétrole consommé en Europe. Mais les réserves sont limitées et à l’horizon 2025 les hydrocarbures de la mer du Nord seront pratiquement épuisés ; l’Europe devra alors importer la totalité du pétrole et du gaz naturel de régions plus éloignées et géopolitiquement sensibles comme la Russie, l’Asie centrale et le Moyen-Orient.

Comme par ailleurs l’Europe importe de plus en plus de charbon, la dépendance énergétique totale de l’Union Européenne pourrait atteindre 80 % en 2025. »

( cf article dans Sciences Humaines.com )

Le taux d’indépendance énergétique de la France est d’environ 50 %.

Mais elle beaucoup plus exposée sur son approvisionnement en hydrocarbures, que ses collègues européens. La France importe 100 % de sa consommation de charbon, 99 % de sa consommation de pétrole et 98 % de sa consommation de gaz.

Chaque année en France, la balance nette en approvisionnement énergétique est de 36 milliards d'euros pour le pétrole, de 9 milliards d'euros pour le gaz et de 1,5 milliards d'euros pour le charbon.

( cf site web Ministère de l'Industrie )

Une alternative technologique existe : une économie basée sur l’Hydrogène

Devant la crise potentielle que représente la fin de l’ère du pétrole, il est urgent de développer des solutions alternatives.

Le pétrole a deux fonctions : source primaire d’énergie et vecteur d’énergie.

Face à la disparition du pétrole, il faut trouver non seulement une (des) sources d’énergie alternatives, mais aussi des vecteurs d’énergie compatibles avec les productions et l’utilisation des nouvelles sources d’énergie.

Les sources d’énergie disponibles sont :

Sources d’énergie

Forme

Limitation

Sources fossiles

Pétrole
Charbon
Gaz

Ressources limitées

Responsables des GES

Renouvelables issu du soleil

· Solaire

· Eolien

Production intermittente

Production totale limitée

· Force des vagues

Technologie non maîtrisée (stade maquette)

· Hydraulique

· Biomasse

Production totale limité (surface cultivable ou rivières aménageables)

Autres renouvelables

Force marée motrice
Géothermie

Production totale limitée à des sites naturels favorables, parfois technologie non maîtrisée (maquette), sauf géothermie profonde et haute énergie.

Nucléaires

Fission

Stock uranium

Déchets

Fusion

Technologie non maîtrisée (stade principe physique seulement)

Transport & stockage de l’énergie : le problème du vecteur.

Si nous supprimons les hydrocarbures, la quasi-totalité des sources d’énergie alternative se présentent sous la forme de chaleur ou de mouvement mécanique.

Chaleur

Mouvement

Solaire (ou électricité directe)

Géothermie

Fission & fusion

Hydraulique

Force des vagues

Eolienne

Sauf dans le cas de l’énergie solaire utilisée directement dans les habitations comme chauffage, les autres formes doivent être transformées dans une nouvelle forme d’énergie que nous appelons vecteur. Pour l’essentiel actuellement les sources alternatives au pétrole sont actuellement transformées en électricité.

Les principaux vecteurs sont :

Vecteur

Avantage

Limitation

Pétrole

Stockable

Transportable sur longues distances (inter continentales)

Le vecteur est directement la source d’énergie primaire dont les stocks sont limités et dont l’utilisation produit des GES

Electricité

Transportable sur moyenne distance

Production facile à partir de chaleur ou de mouvement

Stockage en masse impossible (impossible de stocker 10% de la production électrique d’une journée)

Stockage faible capacité par batterie trop limité (mauvais rendement, stockage totale insuffisant pour le transport routier)

Autre composé Carboné

(ex Ethanol ou huile)

Stockable

Transportable sur longue distance (inter continentales)

Production par la biomasse insuffisante pour couvrir tout notre besoin. En concurrence avec la production alimentaire

Hydrogène H2

Facile à produire à partir des sources alternatives au pétrole

Stockable

Transportable sur longue distance (inter continentales)

Progrès à faire dans le stockage final.

Quelles sources et quel vecteur si nous supprimons les énergies fossiles.

Si nous supprimons les énergies fossiles il faut trouver des sources primaires ayant déjà démontrée leur capacité réelle de fournir de l’énergie en grande quantité.

Mix énergétique de la France

Source DGEMP

Dans un horizon court terme seul le nucléaire peut garantir une production suffisante pour remplacer les sources fossiles.

Les énergies renouvelables complémentaires dont la production est déjà significative sont l’hydraulique et l’éolien

Les autres sources dont le potentiel est intéressant sont la géothermie, le solaire (en plus du chauffage local), l’utilisation de la biomasse. Mais dans l’état actuel de notre technologie, elles ne seront que des énergies d’appoint (inférieur à 20% du besoin) à court terme.

Devant l’urgence de la situation, pour remplacer le pétrole a court terme, il faut partir des solutions déjà validées pour la production de masse :

Nucléaire - hydraulique - éolien dans cet ordre

L’hydraulique en France est déjà proche du maximum de son potentiel, car les sites favorables sont limités.

Devant l’urgence de la situation il faut en premier lieu s’assurer d’un approvisionnement en Hydrogène qui existe et qui soit prêt pour répondre au besoin actuel.

Les énergies alternatives n’étant pas encore assez développées pour couvrir plus de 20% de la consommation électrique, nous ne pouvons pas a court terme, moins de 20 ans, parier sur ces énergies pour faire, en plus de 100% de la future production d’électricité, l’énergie nécessaire au remplacement du pétrole.

Pour rappel, le rendement énergétique pour l'équivalent d'un MWh d'électricité en Tonne Equivalent Pétrole est de :

- 86 % pour une centrale géothermique haute énergie

- 26 % pour une centrale nucléaire

- 26 % pour une centrale thermique (pétrole, gaz, charbon)

- 8,6 % pour une centrale hydraulique, solaire ou éolienne.

Source AIE

Il faut avoir des vecteurs compatibles avec les sources disponibles à moyen court terme.

Electricité insuffisant = problème du transport. Limitation intrinsèque de la batterie.

Il n’existe pas de rupture depuis 50 ans, même sous l’impulsion des fabricants d’électronique, PC portable, téléphone et lecteur portable) qui ont tous le problème de l’autonomie.

Seule, la combinaison de l’Hydrogène et de l’électricité représente une voie prometteuse pour assurer un vecteur exempt d'émissions nocives et basé sur une énergie durable.

L’Hydrogène peut remplacer le pétrole comme vecteur d’énergie pour le transport

1) la technologie est déjà à l’état de démonstrateur pour le transport routier.

La technologie du moteur à pile. Plusieurs technologies sont déjà disponibles (Phosphoric Acid, Proton Exchange Membrane or Solid Polymer, Molten Carbonate, Solid Oxide, Alkaline, Direct Methanol Fuel Cells, Regenerative Fuel Cells, Zinc Air Fuel Cells, Protonic Ceramic Fuel Cell)

Le principe consiste en la combustion par catalyser de l’Hydrogène qui permet de produire directement de l’électricité. Seul de la vapeur d’eau est rejetée.

Pour rappel, un moteur a combustion classique, en plus de rejet de CO2, rejette aussi de l’eau (H2O). Donc il n’y pas de problème nouveau généré par ce rejet.

Type de Moteur Vapeur d’eau par kilomètre

Type de Moteur

Vapeur d’eau par kilomètre

Combustion à essence

0,62 l.

Pile à Hydrogène

0,40 l

Vous trouverez ci-dessous deux vidéos expliquant le principe de la pile à combustible

Un grand programme de bus démonstrateurs à Hydrogène a été déployé dans douze villes (Amsterdam, Barcelone, Hambourg, Londres, Luxembourg, Madrid, Pékin, Perth, Porto, Reykjavik, Stockholm, Stuttgart… et aucune ville Française)

La démonstration utilise des Bus (Daimler Benz)

Regardez cette vidéo HyFLEET de CUTE

Source: DaimlerChrysler AG

Le même industriel est d’ores et déjà capable de proposer des prototypes de voitures particulières :

Necar 4 est une Mercedes avec un réservoir d’Hydrogène gazeux

Source: DaimlerChrysler AG

D’autres industriels comme BMW ont développé des véhicules à moteur à explosion classique mais utilise de l’Hydrogène H2 comme combustible

Chez BMW, une première série de cent automobiles BMW série 7 à Hydrogène a été décidée. « La première livraison a été réalisée en avril 2007, à Munich, Berlin, Tokyo, Los Angeles où se trouvent des stations d'Hydrogène, et nulle part en France (!). «

Pour le stocker cet Hydrogène, BMW a fait le choix technique de l'Hydrogène liquide.

Le plein d'Hydrogène dans une station Total

Depuis le ministre président de Bavière utilise un tel véhicule pour ses déplacements.

D’autres constructeurs concentrent aussi une partie de la leur efforts sur ce type de véhicules :

GM lance l'Hydrogène pour les particuliers — Plus de 100 familles américaines vont recevoir des Chevrolet Equinox à Hydrogène pour un test en utilisation réelle, auprès de clients finaux, Quant à Toyota, le constructeur japonais a établi un nouveau record d'autonomie pour une voiture à pile à combustible (PAC) alimentée par de l'Hydrogène.

Une troisième voie est explorée par le constructeur japonais Mazda . Elle combine un moteur à piston rotatif et un alternateur électrique. Le moteur peut être alimenté par de l’hydrogène gazeux ou de l’essence. En usage d’hydrogène gazeux, l’autonomie de 200 km est satisfaisante.

Pour rappel, le rendement du réservoir à la roue d’un moteur à essence est de 35 %, tandis que pour un moteur électrique alimenté par une pile à combustible et hydrogène gazeux, il est de 50 %. Pour un moteur brûlant de l’Hydrogène liquide ou gazeux le rendement est de 35 %. (source rapport Syrota)

2) Les experts de l’Europe travaillent déjà à l’économie de l’Hydrogène

Une feuille de route européenne préliminaire a été établie pour la production et la distribution de l’Hydrogène – ainsi que des systèmes de piles à combustible et d’Hydrogène – en vue de passer à une économie orientée vers l’Hydrogène d’ici 2050.

Pour cela l’Europe finance plusieurs projets connexes à l’économie de l’Hydrogène (voir la liste ci-dessous). Dans le même temps la France durant le Grenelle de l’Environnement ne mentionne même pas le sujet.

MOREPOWER

L’objectif de ce projet est de développer une pile à combustible à bas coût pour des piles directes portables à l'éthanol ou au méthanol. Le défi à relever consiste à obtenir un fonctionnement efficace à de très basses températures et à un coût très réduit. Ces dispositifs pourraient être utilisés pour des applications en micro-énergie (par ex. les téléphones mobiles, les ordinateurs portables), ou pour l’énergie portable (par ex. : les équipements de loisirs, les machines-outils, etc.).

HI2H2

Ce projet utilisera les plus récents matériaux et procédés de production pour développer et tester un électrolyseur à haute température innovateur pour une production d’Hydrogène efficace et à bas coût, en utilisant des technologies de conversion électrochimique à oxyde solide planaire.

http://www.hi2h2.com/

BIO-H2

Ce projet analyse la possibilité de réformer le bioéthanol pour produire de l’Hydrogène à bord d‘un véhicule.

HyNet

Ce réseau thématique réunit les parties prenantes pour proposer une feuille de route européenne de l’Hydrogène qui définisse des stratégies de transition qui permettront de passer des systèmes d’énergie actuels à base de combustibles fossiles aux systèmes futurs d’énergie durable, basés en grande partie sur l’électricité et l’Hydrogène. Cette initiative a mené au projet HYWAYS, qui réalise une analyse techno-socio- économique approfondie des options de production de l’Hydrogène.

http://www.hynet.info/

EIHPII

Le Projet Européen d’Hydrogène Intégré est un projet de RDT prénormatif réunissant 20 partenaires et traitant de l’harmonisation mondiale des règlements de l’UE pour les véhicules alimentés à l’Hydrogène gazeux comprimé et liquide et pour l’infrastructure de rechargement du combustible nécessaire.

http://www.eihp.org/

HYSAFE

Ce Réseau d’Excellence réunit de grandes entreprises industrielles et d’importants organismes de recherche pour collaborer à la recherche sur toute une série de questions relatives à la sécurité de l‘Hydrogène pour les infrastructures et les véhicules utilisant de l’Hydrogène.

www.hysafe.net

FUERO

Ce regroupement de neuf projets fixe les critères en matière de composants et de systèmes pour les véhicules à piles à combustible. Parmi ces projets figurent des projets visant à développer des processeurs à combustible (par ex. à l’essence, au méthanol, à l’éthanol) ainsi que des composants essentiels pour les systèmes basés sur les piles à combustible.

http://www.fuero.org/

STORHY

Ce projet, mené par de grands constructeurs automobiles européens et par des fournisseurs d’Hydrogène, vise à développer des systèmes robustes, sûrs et efficaces pour le stockage de l’Hydrogène à bord de véhicules, en mesure d’être utilisés dans des véhicules équipés d’un moteur à combustion interne ou de piles à combustible alimentées à l’Hydrogène.

www.storhy.net

CUTE

Il s’agit du plus grand projet de démonstration au monde. Il implique une flotte de bus alimentés aux piles à combustible. Neuf villes européennes (dont aucune en France) possèdent 27 bus de ce type qui assurent un service régulier depuis deux ans, combinant les nouveaux systèmes pour la production d’Hydrogène, le stockage et l’approvisionnement. Ce projet est complété par le projet ECTOS en Islande.

http://www.fuel-cell-bus-club.com/

Regardez cette vidéo HyFLEET de CUTE

3) L’Islande se prépare à basculer vers une économie basée sur l’Hydrogène

L'Islande a déjà commencé son projet de devenir complètement indépendante du pétrole à partir de 2030 en utilisant ses ressources géothermique et hydroélectrique pour la production d’Hydrogène.

Ceci se fait à travers un projet national piloté par le ministère de l’industrie qui a donné lieu à la création d’une société Icelandic New Energy Ltd (INE). En plus de l’Etat Islandais et de sa compagnie d’électricité, sont présentes au capital les sociétés Daimler et Shell. Nous remarquons à nouveau l’absence d’acteurs français comme Total ou Peugeot / Renault.

En plus sa participation dans les démonstrateurs de flotte de bus (projet CUTE & ECTOS), l’Islande prévoit des démonstrateurs pour des véhicules particuliers et sa flotte de pêche.

Regardez ce reportage, en anglais :

D'autre part, en Italie, une ville Arezzo va faire un usage urbain de l'hydrogène, pour son industrie d'orfèvrerie et ses habitants. La production d'hydrogène sera faite avec des panneaux solaires.

Pour rappel, en France jusqu'en 1970, Gaz de France utilisait un mélange d'hydrogène et de gaz naturel pour son réseau urbain de gaz.

4) La technologie Hydrogène est aussi utilisable pour le transport aérien et maritime

La technologie de pile a combustion peut être adaptée facilement au transport maritime, car la génération de courant peut aussi facilement alimenter un moteur électrique d’un bateau que celui d’une voiture.

Par contre, l’aviation présente une problématique différente.

Les avions à hélice peuvent certes eux aussi utiliser des moteurs à piles à combustion. Le centre européen de recherche et développement de Boeing situé à Madrid a réalise un prototype d'aéronefs fonctionnant avec une batterie hybride lithium-ion couplé à une pile à combustible à membrane échangeuse de proton. Boeing procèdera courant 2007 à plusieurs vols.

L’Hydrogène peut directement être utilisé comme combustible dans un moteur à réaction. De telles études ont déjà été réalisées dans les années 50 (Lockheed CL-400 Suntan), mais l’absence d’intérêt industriel à l’époque, a stoppé ces recherches.

Le groupe Safran (ex Snecma) s’est penché récemment sur la question à travers le projet Cryoplane. Les études de faisabilité ont permis de conclure que le remplacement du kérosène par l’hydrogène dans les avions de ligne pourrait donner naissance aux futurs "Cryoplanes".

Les défis technologiques sont cependant nombreux et certaines interrogations demeurent. Mais qu’il s’agisse de la technologie nécessaire à la réalisation d’un avion, des composants du moteurs, de la mise en place d’une filière hydrogène (fabrication, distribution, stockage) rien n’est véritablement hors de portée du savoir-faire actuel.

Enfin dans ses programmes exploratoires, l’Agence Spatiale Européenne étudie l’idée d’un avion hypersonique baptisé A2, propulsé par un moteur à Hydrogène, et qui pourrait voler à la vitesse incroyable de Mach 5, (voir ci-dessous la maquette comparée avec celle d’un A380)

Les centrales nucléaire de 4 ème génération pourraient produire de l’Hydrogène

Grâce à l’électrolyse haute température, entre 700°C et 1 000°, nous pourrons dissocier la molécule d’eau en Hydrogène et oxygène. Ce procédé de production massive a été particulièrement étudié en Allemagne, années 70 à 80, avant d’être mis de coté pour des raisons politiques. Depuis des avances significatives permettent d’envisager de nouveaux développements.

L’électrolyse haute température permet de fabriquer de l’Hydrogène avec une énergie moindre grâce à l’augmentation de la cinétique des réactions à haute température. Elle permet d’utiliser de forte densité de courant assurant une forte capacité de production dans un faible volume. Enfin l’apport d’une partie significative de l’énergie sous forme de chaleur au lieu de d’électricité permet de diminuer le coût de production.

Ceci est particulièrement intéressant pour la production d’Hydrogène dans une centrale nucléaire qui permet d’utiliser la chaleur des circuits de refroidissement d’une centrale à haute température, génération 4, pour co-générer de l’Hydrogène.

Des réacteurs haute température à gaz ont déjà été testés notamment en Allemagne, projet aussi stoppé pour raisons politiques. D’autres tests sont en cours de réalisation au japon.

Areva a déjà développé un concept de réacteur nucléaire à haute température utilisable pour la cogénération d’électricité et d’Hydrogène.

A court terme, le basculement de l’intégralité du secteur du transport à la technologie d’Hydrogène en France, nécessiterait de doubler le nombre de centrales nucléaires.

Si cela est certes important, cela reste néanmoins totalement dans le domaine du faisable.

Resterait la consommation pour le logement. Mais bien isolés, créant une grande partie de leur chaleur par l’énergie solaire, les bâtiments modernes n’auront besoin que d’un apport en électricité pour les appareils domestiques : Le logement peut aussi ne plus être dépendant de l’énergie fossile.

De plus le passage à la technologie de l’Hydrogène est en rien contradictoire avec une meilleure efficacité énergétique et comme nous allons le voir, le développement de sources alternatives. Ces efforts permettront de limiter le nombre de centrale à ajouter afin de remplacer totalement les énergies fossiles.

L’économie de l’Hydrogène n’est pas liée de façon indissociable au nucléaire. Au contraire l’Hydrogène comme vecteur d’énergie peut aider au développement d’énergies renouvelables

A court terme, le remplacement du pétrole par de l’Hydrogène nécessite le recours au nucléaire, seul capable de faire face en si peu de temps à une telle demande en énergie. L’Hydrogène peut être aussi produit grâce d’autres sources d’énergies

Production par électrolyse, grâce à l’électricité verte : éoliennes, centrales hydrauliques, énergie des vagues.

Grâce à l’électrolyse, nous pouvons transformer de l’électricité en Hydrogène. Si cette opération se fait au prix d’une perte d’énergie, rendement inférieur à 100%, la production d’Hydrogène permet de résoudre certains problèmes liés à ces énergies renouvelables. En effet la production de ces énergies est souvent intermittente et la production qui dépend de facteur naturel est parfois éloignée des centres de consommation.

La transformation d’une partie de l’énergie électrique en Hydrogène permet de résoudre le problème de stockage, et donc celui de la production intermittente.

Le stockage en Hydrogène permet aussi d’envisager la production dans des sites très éloignés des centres de production. Ainsi nous pouvons envisager de déployer tout le long de la crête de la cordillère des Andes des éoliennes fabriquant de l’électricité, transformée dans les vallées en Hydrogène, acheminé dans des pipelines vers les ports et les navires de transport.

Le couplage éolien-hydrogène a été prouvé, cf Le projet d'Utsira (p54).

Une carte modiale des vents, avec le potentiel éolien a été faite en 2005 par deux membres de l'Université de Stanford (Californie USA).

Des projets très intéressants sur des Hydrolienne s sont aussi à l'étude, notamment en France et au Royaume Uni.

Production par électrolyse grâce à la géothermie.

Actuellement, la géothermie haute énergie est possible dans des sites favorables, poche magmatique proche de la surface. Le même problème de transport de l’énergie sera résolu par l’Hydrogène.

L’Islande projette de tirer profit de ses ressources géothermales pour devenir la première société entièrement basée sur l’Hydrogène.

La géothermie haute profondeur offre des possibilités, mais reste au niveau de la maquette.

Production à partir de la biomasse

Le bois et les déchets végétaux, comme la paille, peuvent être gazéifiés en gaz de synthèse (H 2 + CO2). Comme nous utilisons des plantes qui se renouvellent, le bilan en émissions de CO2 est neutre. La seule limite est la quantité de biomasse disponible.

Production directe par des micro-organismes

Certaines bactéries et micro - algues produisent de l’Hydrogène sous l’effet de la lumière. Mais les rendements sont très faibles. Cette méthode est encore à l’état de recherche en laboratoire. Des modifications génétiques, par exemple, pourraient permettre de les stimuler. (cf Articles de Sciences et Vie)

Autres prospections

Encore à l’état de recherche fondamentale, la photolyse de l’eau permettrait de produire de l’Hydrogène directement à partir de la lumière solaire. Cela grâce à des cellules photo - électrochimiques qui combineraient énergie photovoltaïque et électrolyse. À quand les « panneaux solaires à Hydrogène » sur les toits ?

Si avec le nucléaire un basculement rapide à une économie de l’Hydrogène, est garanti ; une fois ce basculement fait, le développement des énergies renouvelables ne sera pas bloqué bien au contraire. L’Hydrogène combiné à l’électricité permettra un déploiement plus facile de ces énergies à chaque fois que ce déploiement bute sur des problèmes le stockage ou de transport intercontinental.

Les obstacles à surmonter

La technologie de l’Hydrogène est déjà à la phase de la validation industrielle

De l’idée à sa réalisation : les différentes phases du développement d’un produit innovant.

Avant qu’une innovation vienne modifier notre mode de vie, il faut qu’elle ait franchie plusieurs étapes :

1. La validation physique

Généralement, à l’origine d’une innovation, un principe physique a été exploité.

Par exemple l’air chaud plus léger que l’air est le principe sous-jacent à la montgolfière. Le développement extraordinaire de la physique a permis de transformer de nombreuses nouvelles lois physiques en innovation : de l’électricité à l’ampoule, de la physique quantique à l’électronique, de la relativité à l’énergie nucléaire.

A contrario, au fur et à mesure que la physique a progressé, les lois nouvelles ont non seulement ouvert de nouveaux champs d’application mais aussi ont donné des limites infranchissables.

Le deuxième principe de la thermodynamique par exemple. Il n’y a pas de possibilité de dépasser les lois de la physique. Pas de moteur à d’eau et c. Ceci doit tempérer les rêves des non physiciens qui extrapolent les progrès futurs à partir des progrès passés.

A ce stade initial de développement nous retrouvons la fusion nucléaire qui sur le principe fournirait une énergie inépuisable à l’échelle de l’humanité. Mais ne nous y trompons pas l’ITER qui va être construit n’est qu’une expérience de physique fondamentale et non pas encore une maquette pour valider la deuxième étape.

2. La validation technologique

La maquette et le prototype : pour passer de l’idée à la réalisation il faut maîtriser les lois physiques mis en œuvre. Le prototype sert à démontrer que la physique a pu être maîtrisée. Si la démonstration n’est que partielle, échelle réduite, domaine d’utilisation limitée, nous parlerons de maquette.

Si comme nous l’avons dit la fusion n’a pas encore atteint ce niveau, les centrales de 4ème génération ont au moins franchies l’étape de la maquette.

3. La validation industrielle

La possibilité de produire de façon industrielle le prototype.

C’est déjà à ce niveau avancé que se situe la technologie de l’Hydrogène. Pour être sur de parvenir à ce niveau, les chercheurs ont développé des piles à combustion sans catalyseur platine ce qui aurait été un blocage pour franchir cette étape.

En résumé, l’essentiel des technologies pour basculer vers l’Alternative Hydrogène sont à l’orée de la validation industrielle.

Développement industriel : le problème de l’œuf et de la poule

Il n’y aura pas spontanément de développement industriel de véhicule à base d’Hydrogène tant qu’il n’y aura pas un marché pour cela. Nous retrouvons donc devant un problème type « œuf et poule ».

En effet :

· Pas de marché pour les véhicules à base d’Hydrogène tant qu’il n’y pas eu de développement d’une infrastructure d’approvisionnement en Hydrogène.

· Pas de développement d’une infrastructure d’approvisionnement d’Hydrogène, tant qu’il n’y a pas de marché pour les véhicules à base d’Hydrogène

Pour les industriels, se lancer trop tôt, c’est prendre un risque économique. Ils surveillent ce sujet pour être prêts à temps, et pour l’instant ils se limitent aux validations technologiques moins coûteuses. Se lancer dans une validation industrielle nécessite un investissement colossal, et le faire trop tôt c’est perdre de l’argent dans un outil qui sera longtemps en surcapacité.

A titre d’exemple la crise de 2001 qui a frappé les constructeurs télécoms, n’était pas dû au fait que nous n’aurons pas besoin de leurs infrastructures en fibre optique, mais au fait qu’ils ont déployé des capacités de débit trop vite par rapport au besoin , avant le développement généralisé de la vidéo sur Internet (légal ou pas) des partages de gros fichiers et des chats vidéo. Maintenant les sociétés Free, Neuf Cegetel, Numéricable, et France Telecom se lancent en 2007 voir plutôt en 2008 sur le déploiement de la fibre optique, soit plus de sept ans après. Quelle industrie peut survivre avec sept ans de stock ou de surcapacité sans être en crise ?

Ce risque économique est valable pour tous les types d’industrie qui seront impliqué dans la filière Hydrogène :

- Les constructeurs de véhicules, en France potentiellement Airbus, Renault et Peugeot-Citroën.

- Les fabriquant d’infrastructures pour la fabrication de l’Hydrogène, en France potentiellement : Areva et Alstom

- Ceux qui fabriqueront l’Hydrogène, en France potentiellement Total, EDF, Gaz de France, Suez et Air Liquide

- Ceux qui conditionneront et distribueront l’Hydrogène, en France potentiellement Total, Gaz de France, Suez et Air Liquide

L’Etat a donc un rôle à jouer. Comme garant de l’intérêt général, il a l’obligation de faire sortir la France au plus vite de sa dépendance aux énergies fossiles, responsables des Gaz à Effet de Serre.

Il peut, en synchronisant le basculement vers la solution Hydrogène, offrir aux industriels une garantie sur le risque d’avoir investi trop tôt. De plus en ce faisant il s’assure que les industriels Français n’investiront pas « trop tard ».

L’Etat peut forcer ce basculement grâce à la voie réglementaire et fiscale (taxe CO2). De ce fait, il peut en concertation avec les industriels concernés être celui qui synchronise le basculement et donc celui qui garanti contre les risques économiques.

Par son action transverse de maître d’ouvrage, il s’assure que tous les éléments de la chaîne se développent en phase.

Dans ce cadre, l’investissement sera partagé entre les différents acteurs et l’Etat n’aura comme rôle que celui qui amorce la pompe par des commandes garanties. Mais l’Etat Français ne supportera pas l’essentiel de l’investissement, ce qui ne peut pas être envisagé dans sa situation financière actuelle.

Une opportunité formidable

Les défis liés aux changements climatiques et la l’épuisement des réserves d’énergies fossiles, imposeront à moyen terme la fin de notre mode de vie actuel.

Devant cette menace, certains recyclerons leur antilibéralisme dans une attitude malthusianisme et anti-technologique. D’autres feront le choix de l’innovation et relégueront, si elles réussissent, les tenants du premiers choix aux rangs de pays sous développés.

N’oublions pas l’exemple de la Chine, alors en avance sur l’occident, qui a raté la révolution technologique et industrielle en se refermant sur elle-même. L’Empereur par une stricte application du « principe de précaution » condamnait à mort tous ceux qui auraient construit des bateaux de plus d’un mât capables d’aller en haute mer et de créer des contacts avec des pays étrangers inconnus. Cent ans auparavant, les chinois avait pourtant explorés la côte africaine, mais ils ont tourné le dos à l’inconnu et ont laissé les européens devenir la seule civilisation technologique qu’ils doivent maintenant rattraper.

Il est probable que les pays qui feront en premier les bons choix technologiques ; au moment du basculement OBLIGATOIRE lors de la fin de la civilisation du pétrole, auront une avance considérable qui leur garantira un développement économique non rattrapable à court terme.

Les géants industriels qui se formeront les premiers sur ces technologies de l’Hydrogène seront pour longtemps incontournables par les nouveaux arrivants. En effet il s’agira d’une industrie fortement technologique et nécessitant d’énormément de capitaux. Dans ce cas de figure l’avance des premiers est quasi irrattrapable. Nous observons ce type de situation dans l’aéronautique (Boeing et Airbus) ou la fabrication de micro - processeurs (Intel et AMD). L’avance technologique et l’investissement en capital les mettent pour longtemps à l’abri de nouveaux entrants.

Il en est de même pour des secteurs comme l’automobile, l’industrie pétrolière etc.

En faisant le bon choix la France peut trouver là les points de Croissance qui lui manque.

Par contre elle ne peut pas le manquer. Du fait de la lâcheté de ses gouvernants actuels face à la peur automatique vis-à-vis des nouvelles technologies, elle est déjà en train de rater la révolution de la biotechnologie au nom d’un principe de « précaution » mal compris qui n’a de toute façon aucun sens s’il n’est pas généralisé à l’échelle mondiale.

Notre attitude de replis vis-à-vis de l’innovation peut nous exclure de la potentielle révolution de ce secteur. Les nouvelles sociétés de biotechnologies seront près de Cambridge ou de Boston mais pas en France. Si les OGM débouchent sur des médicaments innovants, nous devrons les importer alors que nous étions au départ dans la course avec le génopôle d’Evry.

La France grâce au courage de la génération politique précédente se trouve dans une des meilleures positions pour relever le défi du basculement vers la technologie de l’Hydrogène.

Elle possède avec son savoir faire nucléaire la capacité de produire en masse de l’Hydrogène. Des grands groupes comme Total,Suez, Gaz de France ou Air liquide sont présents sur son territoire et elle possède une industrie automobile encore forte. Néanmoins l’essentiel de l’innovation sur les moteurs à Hydrogène se fait Outre Rhin. Il est donc nécessaire d’amorcer une dynamique avant que le retard ne soit trop important.

Propositions

- Objectif politique franco-allemand et européen de s’affranchir totalement du pétrole, du gaz et du charbon d’ici 2025.

- Vote en 2009 d’une loi européenne équilibrant les budgets recherche, investissement et fonctionnement entre la filière du nucléaire et celle des énergies renouvelables : un milliard d’euros pour le nucléaire = un milliard d’euros pour les énergies renouvelables.

- Vote en 2009 d’une loi européenne obligeant tout distributeur de carburants à distribuer de l’hydrogène gazeux et liquide, dans les stations services, ports et aéroports, à horizon de 2015.

- Vote en 2009 d’une loi européenne obligeant, de manière progressive l’achat de véhicule à hydrogène au niveau des flottes d’entreprise et des transports publics

- Collaboration politique, scientifique et industrielle avec les pays les plus en pointe sur l’Alternative Hydrogène, notamment les Etats-Unis et le Japon.

Julien IRONDELLE et Max STELLMACHER

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Documents complémentaires

· Actualités

· Liens Internet Alternative Hydrogène

· Revue de Presse Alternative Hydrogène

· Vidéo BMW Série 7 Hydrogène

· Vidéo Bus et divers

· Vidéo Kart à Hydrogène

· Vidéo voitures à pile à combustible

Deuxième film Détails sur le record de la BMW H2R (302,4 Km/h, le 30 septembre 2004, Miramas, France)

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11 décembre 2007

L'Alternative Hydrogène : une solution qui Arrange

Actualités

Nous avons été invités à l'Université d'Eté 2008 du MEDEF

Actualités récentes

Alternative Hydrogène a eu le plaisir d'être invité le vendredi 6 juin 2008 au Sénat pour animer un atelier sur l'Hydrogène pour les jeunes éco-citoyens, dans le cadre du Planetum Sénat organisé chaque année par Marika Prinçay.

Vous trouverez ci-contre le programme. ainsi qu'une fiche présentant l'atelier Alternative Hydrogène.

Ainsi que des photos et des vidéo cliquez ci-dessous

Planetum Sénat 6 juin 2008

Ce n'est pas truqué !

Tous les détails sur l'Hopewell project sur ce site internet : cliquez ici

Alternative Hydrogène

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Auteurs : Julien IRONDELLE et Max STELLMACHER

Premier film Détails sur le record de la BMW H2R (302,4 Km/h, le 30 septembre 2004, Miramas, France)

Introduction

Concilier développement durable et développement économique

Le développement d’une nouvelle économie basée non plus sur les hydrocarbures, mais sur l’Hydrogène sera un moyen de renouer avec la Croissance, la création d’entreprises et d’emplois.

Ce défi pourrait être lancé en perspective de la future conférence de l'ONU sur le climat en décembre 2009, a Copenhague.

En comparaison, la France est aujourd’hui parmi les leaders de l’industrie nucléaire, ferroviaire, aérienne et spatiale, grâce aux choix politiques faits dans les années 60 et 70.

L’Alternative Hydrogène :

- contribuera à la lutte contre le réchauffement climatique,

- résorbera la pollution atmosphérique,

- assurera l’indépendance énergétique,

- luttera contre l’augmentation tarifaire de l’eau et des matières alimentaires,

- et contribuera à l’atténuation des conflits financiers et armés dus à l’énergie.

Nous allons tenter de démontrer dans ce document la nécessité et la faisabilité de l’Alternative Hydrogène.

La fin programmée de l’économie liée aux hydrocarbures

Les réserves limitées du pétrole, source d'énergie clé.

L’impact sur la modification climatique.

De façon de plus en plus certaine, nous savons que l’utilisation d’énergie fossile, charbon, pétrole, gaz, est responsable de modifications potentiellement majeures du climat.

Autre inconvénient de l’énergie fossile : la dépendance énergétique

« L’Union européenne, qui consomme environ 16 % de l’énergie mondiale, est le premier importateur du monde.

De 1994 à 2004, le taux de dépendance énergétique de l’Union a considérablement augmenté, puisqu’il est passé de 43 à 50,5 % (Eurostat 2007).

Comme par ailleurs l’Europe importe de plus en plus de charbon, la dépendance énergétique totale de l’Union Européenne pourrait atteindre 80 % en 2025. »

( cf article dans Sciences Humaines.com )

Le taux d’indépendance énergétique de la France est d’environ 50 %.

( cf site web Ministère de l'Industrie )

Une alternative technologique existe : une économie basée sur l’Hydrogène

Devant la crise potentielle que représente la fin de l’ère du pétrole, il est urgent de développer des solutions alternatives.

Le pétrole a deux fonctions : source primaire d’énergie et vecteur d’énergie.

Les sources d’énergie disponibles sont :

Sources d’énergie

Forme

Limitation

Sources fossiles

Pétrole
Charbon
Gaz

Ressources limitées

Responsables des GES

Renouvelables issu du soleil

· Solaire

· Eolien

Production intermittente

Production totale limitée

· Force des vagues

Technologie non maîtrisée (stade maquette)

· Hydraulique

· Biomasse

Production totale limité (surface cultivable ou rivières aménageables)

Autres renouvelables

Force marée motrice
Géothermie

Production totale limitée à des sites naturels favorables, parfois technologie non maîtrisée (maquette), sauf géothermie profonde et haute énergie.

Nucléaires

Fission

Stock uranium

Déchets

Fusion