Hydrogène

L’hydrogène est régulièrement cité comme vecteur d’énergie d’avenir.

Le terme d’économie hydrogène est utilisé pour évoquer un mode énergétique alternatif où le dihydrogène (H2) serait utilisé pour toutes les applications mobiles (essentiellement la voiture) et stationnaires, à l’instar du pétrole aujourd’hui.

Il s’agit donc 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 XXIe 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.

Le principal atout de l’hydrogène est sa capacité à produire de l’énergie, et en particulier de l’électricité. On l’utilise par combustion, dans un moteur thermique pour produire directement du mouvement, ou dans une pile à combustible pour obtenir de l’électricité. Les rendements énergétiques obtenus sont bons, de l’ordre de 60% pour certaines piles. En outre, cette combustion est propre, elle ne rejette que de l’eau.

L’hydrogène permet d’envisager un véhicule totalement non polluant, à l’autonomie importante et au rendement énergétique intéressant. Comme on peut en outre le produire par hydrolyse avec de l’électricité, on peut alors concevoir toute une filière propre pour alimenter les véhicules. D’où le terme d’économie hydrogène.
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 :

• Le 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.

• Sa 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 électrolyse de l’eau, c’est alors moins efficace d’un point de vue énergétique, et ne peut être fait qu’à grande échelle. Dans ce cas des problèmes de transport et de stockage se posent.

• Son stockage est 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.

• L’hydrogène présente des difficultés de 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. Les partisans de l’économie hydrogène vont beaucoup plus loin, et prônent une production à grande échelle en usine, puis une filière d’approvisionnement pour le stocker à bord des véhicules.

De nouveaux procédés apportent certaines réponses à ces enjeux :

• La technique de captation et de séquestration du carbone permettrait d’éviter l’émission de gaz à effet de serre lors de la production d’hydrogène, mais nécessite un coût important.
• 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.

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.

• La production localisée

Une première façon de produire de l’hydrogène est de l’obtenir par combustion de carburants fossiles ou végétaux : d’éthanol, charbon ou hydrocarbures. Ceci est possible de manière localisée, dans une voiture par exemple. Les rendements énergétiques obtenus sont assez intéressants. L’hydrogène n’est alors qu’un intermédiaire entre le moteur thermique le produisant et la pile à combustible, produisant l’électricité elle-même utilisée par un moteur électrique. Cette structure peut sembler totalement inutile par rapport au moteur à explosion, produisant directement l’énergie cinétique à partir du carburant; en comparant les rendements énergétiques de ces deux solutions, on s’aperçoit que la solution hydrogène est une alternative réaliste. Le rendement énergétique de la paire production d’hydrogène-pile à combustible est comparable à celui du moteur à explosion, et les pertes au niveau du moteur électrique sont quasi nulles. En outre, l’utilisation de l’intermédiaire électrique permet d’envisager des économies d’énergies par récupération au freinage, et pour l’équipement embarqué : une partie de l’énergie du moteur est aujourd’hui retransformée en électricité, ce qui entraîne d’autres pertes. L’électricité serait directement disponible dans le moteur à pile à combustible. Autre raison d’être optimiste, le moteur à explosion est une technologie très éprouvée, dont le rendement est optimisé depuis des décennies par toute l’industrie automobile, alors que le véhicule à hydrogène n’a été que beaucoup moins étudié.

• La production à grande échelle

Actuellement, on produit l’hydrogène en usine par deux procédés principalement :
Le plus utilisé repose sur l’utilisation d’hydrocarbures ou de charbon. C’est actuellement la solution la plus économique, et celle offrant le meilleur rendement énergétique. Néanmoins, cette solution ne fait que reporter le problème de la consommation d’énergies fossiles. L’autre solution mise en œuvre à grande échelle est l’électrolyse de l’eau. Elle est beaucoup plus onéreuse et offre un rendement plus faible que la solution énoncée plus haut. Mais puisqu’elle ne consomme que de l’électricité, et que l’on sait produire l’électricité proprement, elle permet d’envisager une filière entièrement propre.

L’objection principale est que si on sait produire de l’électricité proprement, les capacités de production par moyens écologiques restent limitées. Concevoir ainsi toute une économie entièrement sur l’électricité reviendrait à en multiplier la consommation, ce qui ne pourrait se faire que par le nucléaire et les centrales thermiques. On en revient finalement à une filière polluante.

Certaines solutions sont actuellement à l’étude, telles que des centrales nucléaires produisant en parallèle électricité et hydrogène, mais demeurent à l’état embryonnaire comme le projet VHTR qui envisage la diffusion de combustible hytane par gazoducs.
Une derniere solution serait de produire l’hydrogène avec des éoliennes. C’est une solution entierement propre mais très onéreuse.

Seule l’Islande entreprend de produire l’hydrogène à grande échelle en utilisant la géothermie qui est une solution entièrement propre. L’Islande va devenir un pays pionnier dans la production de masse.

Dangers, risques et précautions

Le dihydrogène est un gaz classé « extrêmement inflammable ».

Dans le cadre de l’utilisation de l’hydrogène en tant que vecteur d’énergie, plusieurs études ont soulevé l’hypothèse d’un risque majeur pour la couche d’ozone en cas d’utilisation massive.

Question du stockage et du transport

• La question du 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. D’autres solutions sont envisagées mais non maîtrisées pour l’instant; le stockage sous forme liquide à très basse température est envisagé, mais non maîtrisé à bord d’un véhicule. Une solution suscite de l’espoir, même si pour l’instant elle reste à l’état d’étude fondamentale : le “piégeage” de l’hydrogène par le carbone.

• La question du 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. Ce frein économique implique que le passage à l’hydrogène ne peut résulter que d’un choix généralisé, et nécessite donc l’aplanissement de toutes les difficultés existantes.

Conclusion

Si l’économie hydrogène est pour l’instant une perspective lointaine, certaines applications moins ambitieuses pourraient voir le jour dans un avenir beaucoup plus proche, telles que des piles à combustibles fonctionnant à l’éthanol pour portables à la place des batteries, avec un gain d’autonomie considérable.
L’hydrogène reste une substance largement employée dans l’industrie aujourd’hui, dans de nombreuses applications autres que l’énergie.

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