Les voies du futur
L'hydrogène, un vecteur d'énergie aux multiples facettes
Le 30/11/2010
Si l'univers regorge d'hydrogène, sur Terre, celui-ci est presque toujours associé
à un autre élément. Avant d'en faire à son tour un vecteur d'énergie, il faut
donc le produire et, pour cela, recourir à différents procédés et énergies, y compris renouvelables. L'hydrogène sera finalement utilisé, soit dans une pile à combustible,
soit dans un moteur à combustion.
© Keblow
L'hydrogène,
un élément à isoler
L'hydrogène est l'élément chimique le plus abondant dans l'univers. On le trouve dans la composition du soleil,
des étoiles, des planètes gazeuses. En revanche, il est
plus rare sur Terre et dans l'atmosphère terrestre.
L'hydrogène est toujours associé à d'autres éléments : à du carbone pour former le méthane (CH4), etc. Sur notre planète, on le trouve essentiellement dans l'eau, dont la molécule est un assemblage de deux atomes d'hydrogène et d'un atome d'oxygène (H2O). Pour obtenir de l'hydrogène pur, il convient donc de le séparer des éléments chimiques auxquels il est lié.
N'existant pratiquement pas à l'état naturel sur Terre, l'hydrogène n'est pas une source d'énergie primaire (disponible dans la nature, comme le pétrole ou le gaz naturel).
En revanche, il constitue un vecteur énergétique : il est capable de transmettre de l'énergie d'un endroit à un autre. L'hydrogène partage cette particularité avec l'électricité : celle-ci n'est pas une source d'énergie primaire mais doit être produite, pour ensuite transmettre sa propre énergie.
Par rapport à l'électricité, le principal avantage de l'hydrogène est qu'il est relativement facile de le stocker. De plus, une fois produit, l'hydrogène permet de générer de l'énergie sans émettre ni polluants, ni CO2.
Les énergies fossiles, première source de fabrication de l'hydrogène
Aujourd'hui, 95 % de l'hydrogène sont fabriqués à partir de bois et de sources d'énergie fossiles (gaz naturel, pétrole).
de sources d'énergie fossiles.
• Le procédé le plus courant de fabrication de l'hydrogène est le reformage1-2 (conversion de molécules à l'aide de réactions chimiques) du gaz naturel par de la vapeur d'eau surchauffée ou vaporeformage.3
Le principe est le suivant : en présence de vapeur d'eau et de chaleur, les atomes carbonés (C)
du méthane (CH4) se dissocient de l'eau (H2O). Après deux réactions successives,
ils se reforment séparément pour obtenir, d'un côté, du dihydrogène (H2) et, de l'autre,
du dioxyde de carbone (CO2).
• Un autre procédé est la gazéification du charbon de bois.4-5 Il s'agit là d'une transformation chimique du bois, composé principalement de carbone (C) et d'eau (H2O). Brûlé dans un réacteur à très haute température (entre 1 200 et 1 500 °C), le bois libère des gaz
qui vont alors se séparer et se reformer pour obtenir, d'un côté, du dihydrogène (H2) et, de l'autre, du monoxyde de carbone (CO).
Produire de l'hydrogène de façon renouvelable
À l'image de l'électricité, l'hydrogène a besoin d'énergie pour être fabriqué. Ainsi, pour obtenir de l'hydrogène "propre", convient-il nécessairement de recourir à une énergie elle-même "propre". Plusieurs solutions sont possibles :
• la gazéification concerne toute la filière biomasse solide6-7, c'est-à-dire les nombreuses matières organiques qui peuvent être brûlées pour dégager leurs gaz. Si le bois
(via le charbon) est le principal concerné, des déchets végétaux (paille...) peuvent donner satisfaction. En replantant la biomasse au fur et à mesure, on obtient un bilan faible en termes d'émissions de CO2 ;
• l'électrolyse de l'eau.8-9 Peu utilisée, elle consiste, à l'aide d'un courant électrique, à décomposer l'eau (H2O), en dioxygène, d'un côté, et en dihydrogène (H2), de l'autre. En utilisant de l'électricité provenant d'une source renouvelable (éolien, solaire), on obtient au final de l'hydrogène "propre". L'hydrogène contenu dans un litre d'eau permet ainsi de produire 2 kWh d'électricité.
D'autres procédés10-11 sont également à l'étude :
• certains microbes modifiés peuvent produire de l'hydrogène sous l'effet de la lumière du soleil (microbes photosynthétiques) ;
• immergée dans l'eau, une cellule photoélectrochimique (composant électronique qui décompose l'eau sous l'effet de la lumière solaire) peut produire des bulles d'hydrogène et d'oxygène. On parle alors de photoélectrolyse ;
• la décomposition thermochimique de l'eau : portée à haute température
(800 / 1 000°C), la molécule de l'eau se décompose et libère de l'hydrogène. L'inconvénient de cette méthode est le recours à l'énergie nucléaire pour chauffer l'eau : les investissements sont lourds et la production dépend des stocks d'uranium.
De la fabrication d'hydrogène à la production d'énergie
Une fois l'hydrogène produit, il convient de le transformer en énergie utilisable. C'est le rôle des applications suivantes.
• La pile à combustible12
Il s'agit d'un générateur qui convertit l'énergie du combustible (ici l'hydrogène) en électricité par réaction électrochimique.
Cette pile contient deux électrodes :
• l'une est le siège de l'anode (électrode reliée au pôle positif) et contient de l'hydrogène ;
• l'autre est le siège de la cathode (électrode reliée au pôle négatif) et contient de l'oxygène ;
• entre les deux, se trouve un électrolyte, un corps solide ou liquide capable de contrôler le passage des électrons. Dans le cas de la pile à combustible, il s'agit le plus souvent d'un polymère contenant du platine.
Dans l'anode, les molécules d'hydrogène se dissocient : les ions diffusent dans l'électrolyte, alors que les électrons sont contraints de circuler dans un circuit externe, ce qui crée un courant électrique continu.
Dans la cathode : les électrons provenant du circuit électrique, les ions et l'oxygène se combinent pour former de l'eau et de la chaleur qui peut être récupérée.
Au final, avec de l'hydrogène d'un côté, de l'oxygène de l'autre, la pile à combustible produit de l'électricité et de la chaleur. Le seul produit de sa combustion est la vapeur d'eau.
Il existe 3 types de pile à combustible :
- la pile à membrane échangeuse de protons (PEMFC, Proton Exchange Membrane Fuel Cell). Elle fonctionne à une température de 80 °C avec un électrolyte en polymère et convient à une utilisation dans un véhicule à hydrogène13 ;
- les piles à méthanol direct (DMFC, Direct Methanol Fuel Cell) et à éthanol direct (DEFC, Direct Ethanol Fuel Cell). Elles utilisent directement l'hydrogène contenu dans les molécules des deux alcools (méthanol et éthanol). Elles peuvent être miniaturisées, par exemple pour alimenter des appareils portatifs14 (téléphones, ordinateurs...) ;
- la pile à oxyde solide (SOFC, Solid Oxyde Fuel Cell). Son électrolyte est un oxyde double de zirconium et d'yttrium. Sa température de fonctionnement, de 800 °C, permet d'utiliser n'importe quel combustible contenant de l'hydrogène (méthane, bois...) grâce à des procédés de reformage interne. Très lourde, cette pile est destinée à des utilisations stationnaires15 (unité de production électrique pour logements collectifs par exemple).
• Le moteur à combustion
Dans un moteur à combustion interne traditionnel, l'hydrogène peut être utilisé comme combustible. Sa présence, combinée avec de l'oxygène, va alors provoquer une explosion et faire tourner un piston qui actionnera un moteur. C'est donc de l'énergie mécanique qui est ici créée. Le secteur des transports est concerné par cette application. La combustion de l'hydrogène dans un moteur à explosion produit également de la chaleur, sous forme de vapeur d'eau, ainsi qu'une faible part d'oxyde d'azote.
De ces deux applications, la pile à combustible a un meilleur rendement (taux d'énergie produit par rapport à l'énergie nécessaire à cette production) que le moteur à combustion
interne : 59 % contre 36 %. Elle possède aussi l'avantage d'être moins bruyante.
du XIXe siècle, l'hydrogène était associé à l'oxyde de carbone pour fournir éclairage public et gaz de ville.17 Dans la seconde moitié du XXe siècle, les recherches scientifiques autour des programmes spatiaux lui ont donné
un nouvel élan. La pile à combustible est utilisée à bord de nombreux satellites. Ce sont aujourd'hui les industriels des transports, des énergies domestiques (chauffage, climatisation...) ou de la téléphonie qui s'y intéressent le plus.18
[1]http://www.unige.ch/cuepe/html/biblio/pdf/ActesJcuepe2005.pdf p.27
[2]http://a-o-p.net/energiachallenge/wp-content/uploads/2009/10/Energiachallenge2009SchottFlorian.pdfp.5
[3]http://www.enpc.fr/fr/formations/ecole_virt/trav-eleves/cc/cc0304/hydrogene/H2.htm
[4]http://ethesis.inp-toulouse.fr/archive/00000353/01/mermoud.pdf p.26
[5]http://www.enpc.fr/fr/formations/ecole_virt/trav-eleves/cc/cc0304/hydrogene/H2.htm
[6]http://www.enpc.fr/fr/formations/ecole_virt/trav-eleves/cc/cc0304/hydrogene/H2.htm
[7]http://a-o-p.net/energiachallenge/wp-content/uploads/2009/10/Energiachallenge2009SchottFlorian.pdf
[8]http://www.enpc.fr/fr/formations/ecole_virt/trav-eleves/cc/cc0304/hydrogene/H2.htm
[9]http://www2.cnrs.fr/presse/communique/1570.htm
[10]http://www.enpc.fr/fr/formations/ecole_virt/trav-eleves/cc/cc0304/hydrogene/H2.htm
[11] http://www.cea.fr/content/download/3100/14701/file/037a041grastien.pdf
[12]http://www.enpc.fr/fr/formations/ecole_virt/trav-eleves/cc/cc0304/hydrogene/H2.htm
[13]http://www.enpc.fr/fr/formations/ecole_virt/trav-eleves/cc/cc0304/hydrogene/H2.htm
[14]http://www.enpc.fr/fr/formations/ecole_virt/trav-eleves/cc/cc0304/hydrogene/H2.htm
[15]http://www.enpc.fr/fr/formations/ecole_virt/trav-eleves/cc/cc0304/hydrogene/H2.htm
[16]http://www.enpc.fr/fr/formations/ecole_virt/trav-eleves/cc/cc0304/hydrogene/H2.htm
[17]http://www.cea.fr/content/download/4675/27814/file/livret-hydrogene.pdf
[18]http://www-liten.cea.fr/fr/activites_rd/pemfc_01.htm
