Dossier : Hydrogène : les voies du futur

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Les multiples utilisations de l’hydrogène

Aujourd’hui, l’hydrogène est quasi-exclusivement utilisé pour des usages industriels dans la chimie et le raffinage. Demain, ses capacités en tant que vecteur d’énergie pourraient jouer un rôle majeur dans le domaine des transports, dans les filières gaz, dans la production d’électricité et de chaleur. 

Gros plan sur une voiture à hydrogène
L'hydrogène assure déjà la motorisation de véhicules commerciaux et utilitaires, à rayon limité. © AFP PHOTO / FEDOUACH MEHDI

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. produit aujourd’hui sert à plus de 80 % à la fabrication d’ammoniac, indispensable à l’industrie des engrais, et au raffinageEnsemble des opérations industrielles permettant d'élaborer divers produits pétroliers (gaz, essences, fiouls, bitumes…) à partir de pétroles bruts. des produits pétroliers, afin de désulfurer les carburantsUn carburant est un combustible liquide (comme l'essence), gazeux (comme le GPLc) ou solide (comme un propergol)... . Le reste est utilisé pour d’autres productions chimiques, pour la synthèse de matières plastiques, pour certains processus de l’industrie du verre et pour la fabrication de circuits imprimés électroniques. Dans le monde, près de 60 millions de tonnes d’hydrogène sont produites par an, 900 000 tonnes en France.

Son utilisation comme vecteur d’énergieSynonyme d'énergie secondaire. – 1 % seulement – est aujourd’hui limitée au domaine spatial, pour la propulsion de satellites et de fusées.

Dans le monde, près de 60 millions de tonnes d’hydrogène sont produites par an

Cette utilisation industrielle devrait rester dominante pendant de nombreuses années. Mais les perspectives d’utilisation des capacités énergétiques de l’hydrogène sont nombreuses, ce qui supposerait d’ailleurs, si elles se réalisent, d’augmenter considérablement la production globale. En voici quelques-unes :

Le stockage des énergies renouvelables

En plein essor dans le monde entier, les énergies solaire et éolienne présentent l’inconvénient d’être intermittentes et de produire parfois plus d’électricité que le réseau ne peut en intégrer. Utiliser cette électricité excédentaire pour produire de l’hydrogène, puis le reconvertir en courant via une pile à combustibleUn combustible désigne tout composant ou matière solide, liquide ou gazeux susceptible de se combiner à un oxydant... , apparaît comme une des solutions de stockage et de « lissage » de la production électrique renouvelable. Un exemple : installée en Corse, la plateforme MYRTE1 comporte une centrale photovoltaïque reliée au réseau ; un électrolyseur convertit l’électricité en hydrogène pendant les heures de faible consommation ; cette énergie est restituée au réseau via une pile à combustible pendant les heures de forte consommation, notamment le soir lorsque les panneaux solaires ne produisent plus. L’hydrogène a donc là un rôle « tampon » qui améliore la stabilité du réseau. Les systèmes sont intégrés, compacts et assurent des opérations décentralisées et diffuses, sans avoir besoin de transporter l’hydrogène. Un autre projet, PUSHY2, teste les mêmes processus avec des centrales de micro-hydraulique.

La production d’électricité

Alimentée par de l’hydrogène, 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... produit de l’électricité et émet de la chaleurAujourd'hui, en thermodynamique statistique, la chaleur désigne un transfert d'agitation thermique des particules composant la matière... et de l’eau. (Voir le décryptage : « Les différents types de pile à combustible »).   

Les piles sont adaptables à de multiples équipements, de toutes tailles, et pas seulement aux voitures particulières électriques. (Voir le décryptage : « Les applications embarquées de l'hydrogène »). Elles peuvent équiper :

  • des petits appareils nomades (téléphones, ordinateurs) ; il existe même un prototype de vélo à hydrogène !
  • des véhicules qui ne sont pas tenus d’effectuer de longues distances ou d’être de taille réduite, comme les tracteurs agricoles, les flottes captives d’engins utilitaires. L’hydrogène sert déjà de façon courante à propulser des chariots élévateurs : 3 000 sont en activité aux États-Unis et le distributeur Ikea a lancé une opération en France.
  • des installations stationnaires. Il peut s’agir de stations de « niche », destinées à l’alimentation de sites isolés (antennes relais, centres de télécommunications…) ou de groupes de secours (serveurs informatiques, hôpitaux…), ou de stations plus lourdes, destinées à des unités industrielles.

L’hydrogène assure déjà la motorisation de milliers de chariots élévateurs.

Les piles à combustible stationnaires

L’utilisation de piles à combustible (PAC) stationnaires, destinées à l’alimentation de maisons, d’immeubles ou d’espaces commerciaux, se développe rapidement. L’hydrogène est produit directement sur place à partir du gaz naturel de la ville par un équipement adjoint à la pile, l’ensemble ne dépassant pas la taille d’une armoire. Le système fournit de l’électricité mais aussi de la chaleur récupérable pour le chauffage des locaux. Le Japon est leader dans ce secteur avec plus de 100 000 unités installées en 2016. À terme, l’hydrogène pourrait être prélevé sur le réservoir de la voiture à hydrogène si ce type de véhicule se développe. L’Allemagne a engagé des programmes dans le même sens.

Cette production très localisée d’électricité peut suppléer à des défaillances de réseaux centraux, une protection utile dans des pays soumis aux tremblements de terre ou aux typhons comme le Japon. Un autre intérêt de ce développement massif est de faciliter l’industrialisation des piles à combustible, donc la baisse de leur coût de fabrication, ce qui pourra être bénéfique à l’utilisation dans le secteur de l’automobile.

 Le « power to gas »

L’hydrogène peut être réinjecté, à hauteur de 5 à 10 %, dans les réseaux de gaz naturel pour contribuer aux usages classiques dans l’habitat ou l’industrie. Ce gaz naturel additionné d’hydrogène peut aussi servir de carburant, tel l’Hythane®, pour des flottes d’autobus. Un projet pilote, baptisé GRHYD3, est en cours à Dunkerque pour étudier ces deux usages.

La méthanation

L’hydrogène peut être combiné à du CO2Dioxyde de carbone. Avec la vapeur d'eau, c’est le principal gaz à effet de serre (GES) de l'atmosphère terrestre... et recréer du méthane, c’est-à-dire du gaz naturel. Cette « méthanation » pourrait permettre de réduire les émissions de CO2 de certaines usines, comme des centrales à charbon, à condition que l’hydrogène soit produit à partir d’électricité renouvelable ou nucléaire. Le méthane peut être transformé en divers carburants comme le méthanolLe méthanol ou alcool méthylique est le plus simple des alcools, de formule CH3-OH... ou le kérosène. Toutefois, pour que le processus soit économiquement rentable, il faudrait que le prix de la tonne de CO2 s’envole… Combiné à de l’eau et du CO2, l’hydrogène peut aussi conduire à des alcanes, des hydrocarburesLes hydrocarbures sont des composés chimiques dont les molécules sont constituées d'atomes de carbone et d'hydrogène... saturés, ce qu’on appelle des électro-carburants. C’est le futur du futur !

 

Sources :

(1) Le projet MYRTE

(2) Le projet PUSHY

(3) Le projet GRHYD