Décryptages
Le Japon et ses recherches avancées sur l’hydrogène
Le Japon est le pays du monde le plus avancé dans les recherches sur l’hydrogène, avec déjà la commercialisation de produits utilisant des piles à combustible, comme les voitures particulières ou des systèmes de chauffage pour les bâtiments. Les chercheurs japonais veulent aller plus loin en utilisant l’hydrogène comme flux d’énergie et en réfléchissant déjà à son marché mondial.
Le Japon est un des pays qui consacre le plus de crédits à la recherche-développement (R&D) par habitant, et cela depuis de nombreuses années. Le pays assure 20 % du budget mondial de R&D pour 2 % de la population de la Planète.
La méthode japonaise dans la recherche est l’étude méthodique de toutes les options, sur un temps long. L’hydrogèneL'hydrogène est l'atome le plus simple et le plus léger. C'est l'élément de très loin le plus abondant de l’univers. est exemplaire de cette approche globale1. Contrairement à certaines méthodes européennes, les chercheurs japonais n’ont pas segmenté les différentes utilisations de l’hydrogène mais ont étudié parallèlement sa place dans l’industrie chimique, son rôle en tant qu’énergie ou en en tant que carburantUn carburant est un combustible liquide (comme l'essence), gazeux (comme le GPLc) ou solide (comme un propergol)... . Ils se sont interrogés sur ses potentiels dans l’industrie, dans l’habitat et en matière de mobilité. Ils se sont dès le départ posé la question de sa production (par craquage ou hydrolyseL'hydrolyse d'un composé chimique est sa décomposition par l'eau sous l'action des ions H3O+ et OH- issus de la dissociation de l'eau. ) ou de son importation. Cette approche multiforme fait partie de ce qu’ils désignent sous le nom de « road map » (feuille de route).
Le pays assure 20 % du budget mondial de R&D pour 2 % de la population de la Planète.
Les voitures à hydrogène
La première voie explorée sur cette « road map » a été celle de la mobilité : utiliser l’hydrogène dans une pile à combustibleUne pile à combustible produit de l'électricité grâce à l'oxydation d'un combustible réducteur au niveau d'une première électrode... pour produire de l’électricité et faire tourner un moteur de véhicule. Au début, il s’est agi de bus et de camions, puis les constructeurs japonais ont visé les véhicules grand public. La Toyota Mirai (« futur » en japonais) est sortie en 2015, la Honda Clarity en 2016. Il s’agit d’une commercialisation effective, même si elle est encore de niche.
Qui dit voiture à hydrogène, dit réseau d’approvisionnement suffisamment dense. Plus de 80 stations ont été implantées dans le corridor entre Tokyo et Osaka, grande zone urbanisée entre le centre et le sud du pays. La concentration de gaz comprimé à 700 bars impose des règles de sécurité draconiennes, auxquelles les Japonais accordent traditionnellement une grande attention. Chaque station coûte donc très cher, 6 ou 7 fois plus qu’une station classique, ajoutant au coût général de la filière2.
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Les installations stationnaires
Les études conduites sur les piles à hydrogène ont ouvert une autre voie : celle d’installations stationnaires permettant d’alimenter des bâtiments en électricité et en chaleurAujourd'hui, en thermodynamique statistique, la chaleur désigne un transfert d'agitation thermique des particules composant la matière... . Dans ces « ENE-Farms », selon l’appellation japonaise, l’hydrogène est produit dans une chaudière de la taille d’une armoire à partir de gaz de ville. La pile à combustible génère du courant électrique continu en mélangeant cet hydrogène à l’oxygène contenu dans l’air. La réaction produit de l’eau et dégage aussi de la chaleur qui est récupérée pour l’eau chaude sanitaire et le chauffage. Cette cogénération La cogénération consiste à produire en même temps et grâce à la même installation de la chaleur (énergie thermique) et de l’électricité... permet de faire passer le rendement global de 60 % à 90 % (voir le décryptage : « Japon : la dynamique des « communautés intelligentes »).
Les visions à long terme
Les experts se sont heurtés à la question de la fabrication de l’hydrogène. Le reformage à partir d’hydrocarburesLes hydrocarbures sont des composés chimiques dont les molécules sont constituées d'atomes de carbone et d'hydrogène... est la méthode la moins coûteuse, mais ne permet pas en bout de chaîne une électricité « décarbonée ». L’électrolyse à partir d’une électricité renouvelable coûte aujourd’hui 3 à 4 fois plus cher et les potentiels solaire et éolien sont faibles au Japon.
La « roadmap » japonaise s’est donc vite intéressée à l’importation d’hydrogène. Trois options sont apparues :
- Le gaz compressé. Cette solution évidente (le « gaz en bouteille ») suppose des coûts très lourds de compression et des difficultés techniques, l’hydrogène étant très volatil.
- La cryogénie. Il s’agit de le transporter sous forme liquide à très basse température, un peu comme dans une bouteille thermos. Les plus grandes sociétés japonaises travaillent sur le sujet.
- L’association à une autre moléculeUne molécule est l'assemblage chimique d'au moins deux atomes, allant des plus simples (dihydrogène, dioxygène, diazote...) jusqu'aux macromolécules... . Le principe est de combiner l’atomeL'atome est le constituant fondamental de la matière, la plus petite unité indivisible d'un élément chimique... d’hydrogène à un autre atome, pour produire une molécule plus facilement transportable, puis de récupérer l’hydrogène à l’arrivée, par un processus inverse. Les chimistes japonais ont testé successivement le méthanolLe méthanol ou alcool méthylique est le plus simple des alcools, de formule CH3-OH... (CH3OH) et le diméthyl ether (CH3OCH3). La méthode la plus avancée est le recours aux LOH (liquid organic hydrids), notamment un composé du toluèneAppelé aussi méthylbenzène ou phénylméthane, le toluène est un hydrocarbure aromatique apparenté au benzène... , le méthylcyclohexane (C7H14). Le problème est toujours le coût.
L’hydrogène, associé à d’autres molécules, pourrait être brûlé dans des centrales thermiques ad hoc pour produire de l’électricité.
L’hypothèse futuriste de l’ammoniac
Toutes ces solutions reposent sur des associations avec le carbone, qui a ses effets sur le réchauffement climatiqueLe réchauffement climatique, appelé aussi réchauffement planétaire ou réchauffement global, est un phénomène d'augmentation de la température moyenne des océans... . Les experts japonais s’intéressent aussi à l’autre atome le plus abondant dans l’atmosphère, l’azote. Il forme avec l’hydrogène une molécule très simple, l’ammoniac (NH3), que les chimistes savent produire depuis plus de 100 ans… On sait le transporter, par chimiquierNavire dédié au transport de produits chimiques, le plus souvent liquides , et il existe déjà un commerce mondial.
Cet ammoniac peut redonner de l’hydrogène, utilisable dans une pile, ou peut même être brûlé directement ou en association avec du charbon dans une centrale thermique ad hoc pour produire de l’électricité. C’est en quelque sorte une nouvelle étape de la « roadmap » sur laquelle misent les experts japonais. Ils étaient partis d’un hydrogène-mobilité, qui est long à développer, et espèrent arriver à l’hydrogène-énergie, utilisé tel que pour produire de l’électricité.
La fabrication de masse de l’ammoniac, qui ne pose pas de problème industriel majeur, commence à intéresser certains pays, au premier rang desquels certains pays du Golfe.