Hydrogène énergie

Elément chimique le plus abondant dans l’univers, l’hydrogène (H) est classé en première place du tableau de Mendeleiev. Il s’agit de l’atome le plus simple et le plus léger : il est constitué d’un noyau contenant un proton et d’un électron périphérique.

La molécule H₂ de dihydrogène, constituée de deux atomes d’hydrogène, est aussi communément appelée « hydrogène » (nous emploierons cette terminologie dans la fiche). C’est cette molécule H₂ qui fait l’objet d’une exploitation chimique et suscite un fort intérêt énergétique, tant par ses possibilités d’usage que de stockage.

Vecteur énergétique d’avenir et substitut possible aux hydrocarbures, elle présente plusieurs avantages conséquents :

• sa combustion génère une forte quantité d’énergie (environ 3 fois plus que l’essence à poids constant⁽¹⁾) ;
• elle est très abondante sur Terre sous forme atomique (eau, hydrocarbures, etc.). Le dihydrogène existe aussi à l'état naturel (les premières sources naturelles d’hydrogène ont été découvertes au fond des mers dans les années 1970 et plus récemment à terre, rappelle IFP Énergies nouvelles⁽²⁾) ;
• sa combustion est non carbonée (pas d’émission de CO₂ lorsqu’il est issu de sources renouvelables) ;
• elle est stockable et peut constituer un moyen efficace de stockage de l’électricité sur des durées longues.

La combustion de l'hydrogène génère environ 3 fois plus d'énergie que l’essence à poids constant.

Cependant, l’hydrogène énergie (ou vecteur hydrogène) se heurte encore à plusieurs limites :

• le stockage de l’hydrogène nécessite des quantités d’énergie importantes en raison de sa faible densité (il peut être stocké sous forme comprimée, liquide ou encore d’hydrure métallique) ;
• l’efficacité de son transport (énergie transportée par unité de volume) est beaucoup moins forte que celle du pétrole ou du gaz en raison de cette faible densité ;
• des risques d’inflammabilité et de détonation avec l’air existent (bien que moindres que pour le gaz naturel) ;
• le coût du procédé de production d’hydrogène le plus prometteur, l’électrolyse de l’eau, reste élevé ;
• son utilisation grand public dans les transports nécessite la mise en place d’un réseau de stations à hydrogène (de type stations services) qui requiert des investissements considérables.

L’hydrogène énergie est prometteur à plus d’un titre. Néanmoins, son exploitation à l’échelle industrielle en est à ses balbutiements.

Différents procédés de production

L’hydrogène est produit par la séparation d’éléments chimiques dont l’atome H est un composant et par la mobilisation d’une source d’énergie.

La plus grande partie de l’hydrogène est actuellement produite à partir de gaz naturel et est utilisée par les industriels pour ses propriétés chimiques, en particulier dans les usines d’ammoniac (50% de la consommation mondiale) et dans les raffineries de pétrole (désulfurisation d’essence et de gazole, production de méthanol, etc.).

Plus de 95%⁽²⁾ de la production d’hydrogène est encore issue d’énergies fossiles (gaz naturel, pétrole, charbon). On appelle « hydrogène bas carbone » l’hydrogène produit grâce à une source d’énergie renouvelable ou nucléaire (ou par vaporeformage de gaz naturel si le procédé est associé à une unité de captage, stockage et valorisation du CO₂).

Près de 96% de la production mondiale d’hydrogène est encore issue d’énergies fossiles. (©Connaissance des Énergies, d’après Institution of Mechanical Engineers)

• Reformage des combustibles fossiles à la vapeur d’eau (ou vaporeformage) : procédé de référence, le plus économique (mais son prix de revient reste bien plus élevé que celui du gaz naturel). Le vaporeformage du gaz naturel est la méthode la plus courante. Elle casse la molécule de méthane (CH₄), principal composant du gaz naturel, qui possède 4 atomes d’hydrogène, avec de la vapeur d’eau à 900°C. Deux réactions successives permettent de produire de l’hydrogène (H₂) et du dioxyde de carbone (CO₂) :

                                  CH₄ + 2 H₂O  4 H₂ + CO₂

Ce procédé génère du dioxyde de carbone qui pourrait être capté et stocké dans le futur. Le vaporeformage du biogaz est également possible.

• Electrolyse de l’eau : procédé qui nécessite de l’électricité (rentable si la production d’électricité présente elle-même un coût peu élevé). Le courant électrique décompose la molécule d’eau en hydrogène et en dioxygène (O₂) :

                         H₂O + électricité  H₂ + ½ O₂ + chaleur

Ce procédé correspond à la réaction inverse de celle se produisant dans une pile à combustible. Il permet de produire un hydrogène très « propre » (si l’électricité est produite en utilisant des sources renouvelables) mais n’est pas encore viable économiquement (2 à 3 fois plus coûteux que le procédé de vaporeformage). Le rendement de cette technique est de 40% sur toute la chaîne mais peut atteindre 80% en récupérant la chaleur.

Cette électrolyse possède différentes variantes, à différentes températures :

• Electrolyse basse température (< 200°C) alcaline utilisant une solution aqueuse d’acide sulfurique (H2SO4) ou d’hydroxyde de potassium (KOH) ;
• Electrolyse basse température (< 200°C) utilisant un électrolyte solide :membrane polymère PEMFC conductrice de protons  (Proton Exchange Membrane Fuel Cell) ;
• Electrolyse à haute température (> 400°C) utilisant une membrane céramique conductrice d’ions oxygène (Solid Oxide Fuel Cell), qui doit être couplée à un système solaire à concentration à un réacteur nucléaire à haute température pour profiter d’une source de vapeur bas coût ;

• Gazéification et pyrolyse de biomasse (en particulier de charbon de bois) : procédé en cours de recherche et développement qui permet par exemple d’obtenir de l’hydrogène par transformation chimique du bois à très haute température (entre 1 200°C et 1 500°C). On obtient un mélange de gaz contenant de l’hydrogène (H₂) et du monoxyde de carbone (CO). Après purification de ce mélange, on obtient de l’hydrogène.
• Autres procédés à l’état de recherche : d’autres techniques de production d’hydrogène sont actuellement à l’étude comme la photoélectrolyse (cellule photoélectrochimique décomposant l’eau sous l’effet de la lumière), la décomposition thermochimique de l’eau (l’eau est chauffé à 800/1 000°C grâce à l’énergie nucléaire) ou encore des microorganismes (production d’hydrogène par des bactéries modifiées sous l’effet de la lumière du soleil).

La filière hydrogène (©Connaissance des Énergies d'après CEA)

Applications

L’hydrogène peut être converti en électricité, en chaleur ou en force motrice selon l’usage final. Il a l’avantage de présenter une capacité de stockage (problématique avec l’électricité) et de pouvoir être produit sans émission de CO₂. En tant que vecteur énergétique, il trouve ainsi :

• des applications  stationnaires : stockage d’énergie dans les bâtiments en assurant une fourniture d’électricité et de chaleur grâce à la cogénération, ce qui permettrait le développement des bâtiments à énergie positive ;
• des applications  mobiles : l’hydrogène peut alimenter des véhicules équipés de moteurs à combustion fonctionnant au gaz. Par ailleurs, un réservoir d’hydrogène peut-être associé à une pile combustible pour améliorer l’autonomie de véhicules électriques (électro-mobilité de 2^e génération, dite 2G, la première correspondant aux véhicules électriques) ;
• des applications industrielles : l’hydrogène est un composant chimique très employé dans l’industrie.

Notons que l’hydrogène est déjà largement utilisé dans le domaine de l’aérospatial comme combustible pour la propulsion des fusées.

La chaîne hydrogène (©Connaissance des Énergies d'après AFH₂ – UE)

Production décarbonée de l’hydrogène

L’intérêt de l’hydrogène dans la lutte contre les émissions de gaz à effet de serre dépend évidemment de la manière dont il est produit. Une chaîne non carbonée de production existe (électrolyse ou séquestration de CO₂, s’il est issu des énergies fossiles).

La conjonction de trois facteurs conditionne le développement d’une filière énergétique de l’hydrogène : compétitivité en termes de prix, rendement énergétique et absence d’émission de CO₂.

Gestion des intermittences des énergies renouvelables

Avec les piles à combustible, l’hydrogène énergie permet de stocker et de produire de l’électricité à la demande, valorisant ainsi les énergies renouvelables intermittentes.

Stockage et transport de l’hydrogène

L’hydrogène est difficile à stocker et à transporter, en raison de sa faible densité énergétique par unité de volume. Le transport s’effectue généralement en bouteilles ou en pipelines sous forme comprimée : le gaz peut être comprimé de quelques dizaines de bars à 350 ou 700 bars pour être acheminé. D’autre part, il est possible de le liquéfier l’hydrogène à –253°C mais cette transformation est très énergivore. Notons également la possibilité de transporter l’hydrogène sous forme d’hydrure métallique (la réaction d’hydruration est en effet réversible).

Le réseau de gaz naturel peut aussi contenir de l’hydrogène jusqu’à 20% en volume mais cela nécessite de le purifier en aval du réseau. Notons qu’il faut dix fois plus d’espace pour stocker de l’hydrogène gazeux par rapport à l’essence.

Utilisation dans les transports

Le secteur des transports offre un potentiel de développement majeur au vecteur hydrogène : celui-ci peut être utilisé directement dans des moteurs à combustion interne ou dans des piles à combustible. Des moteurs à combustion utilisant l’hydrogène équipent déjà des bus et des bennes à ordures ménagères sous forme d’hythane (mélange 20% hydrogène / 80% gaz naturel).

Sécurité

La réputation de l’hydrogène pâtit de quelques accidents historiques comme l’incendie du dirigeable Hindenburg en 1937 ou l’explosion de la navette Challenger le 28 janvier 1986. Néanmoins, ce gaz se révèle moins dangereux que le gaz naturel. Dans les voitures fonctionnant à hydrogène, on rajoute un colorant au gaz. En cas de fuite, l’hydrogène est invisible, inodore et n’est chaud qu’au-dessus de la source. Etant très léger, le gaz se libère verticalement, ce qui constitue un avantage en termes de sécurité.

On peut distinguer deux grandes catégories d’acteurs de la filière hydrogène : les centres de recherche qui travaillent sur les procédés de production et de transport les plus performants (en France, notamment le CEA, le CNRS ou IFP Énergies nouvelles) et les industriels qui travaillent sur les débouchés de ce vecteur énergétique (constructeurs automobiles ou groupes gaziers comme Air Liquide). En France, la filière est mise en valeur auprès des acteurs économiques et du grand public par l’association française de l’hydrogène (AFH₂).

La production industrielle mondiale d’hydrogène gazeux atteint actuellement près de 130 Mtep, soit environ 1,5% de la production mondiale d’énergie⁽⁴⁾.

• Plusieurs pays se trouvent à la pointe de la recherche appliquée à l’hydrogène : l’Allemagne avec le programme H₂ Mobility et Callux, le Japon avec le Japanese Large Scale Fuel Cell Demonstration Programme ou encore les Etats-Unis avec le US National Hydrogen & Fuel Cell Program.
• En 2007, le Canada et les États-Unis ont convenu de créer une « autoroute verte », un réseau de 200 stations de ravitaillement en hydrogène entre la Colombie-Britannique et la Californie.
• La ville de Londres, en Angleterre, s’est engagée à réduire ses émissions de 60 % d’ici 2025 et a acquis une flotte de huit autobus à hydrogène⁽⁵⁾ dans cette optique.

1671 : Première intuition : Robert Boyle rapporte que les vapeurs dégagées par la dissolution de fer dans l’acide chlorhydrique sont hautement inflammables

1766 : Découverte de l’hydrogène par Henry Cavendish qui isole le gaz

1781 : Démonstration par Cavendish de la formation d’eau lorsque l’hydrogène brûle. Le chimiste français Antoine Lavoisier appelle le gaz hydrogène

1839 : Découverte de la pile à hydrogène

1898 : Première liquéfaction de l’hydrogène obtenue par l’anglais Sir James Dewar

L’utilisation de ce gaz comme vecteur énergétique, notamment dans le secteur des transports et la production d’électricité, constitue un défi important. Le marché des piles à combustible et le secteur des transports constituent deux perspectives majeures en vue d’une utilisation plus importante de l’hydrogène.