L’Hydrogène, la promesse énergétique du XXIe siècle (1/6)
Inépuisable et non-polluant, l’hydrogène sera-t-il le vecteur énergétique de ce siècle ? De nombreux industriels en font le pari et développent des solutions.
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Convaincus que l’Hydrogène occupera une grande place dans notre futur énergétique, Bâtirama entame aujourd’hui la publication d’une série d’articles sur ce vecteur énergétique, ses caractéristiques, ses atouts, ses emplois, sa production, son transport et son stockage. En commençant tout naturellement par les fondamentaux, à savoir : qu’est-ce que l’hydrogène ?
Défini comme un corps simple et gazeux, l’hydrogène est le composant le plus abondant dans l’univers. Il représente 92% du nombre d’atomes et 75% de la masse de l’univers. Il y en a littéralement partout. La fusion nucléaire des atomes d’hydrogène au sein des étoiles, dont notre soleil, fournit leur énergie. Sur terre, l’hydrogène est principalement disponible dans l’eau.
- L’essentiel de l’univers et de notre soleil aussi, est constitué d’hydrogène. L’humanité existe grâce à ce composant chimique. Doc Alan Campbell
Une molécule d’eau est formée de deux atomes d’hydrogène et d’un atome d’oxygène. L’humanité existe grâce à l’hydrogène : un corps humain est composé à 63% d’atomes d’hydrogène. Cet atome d’hydrogène, précisément, est le plus simple de tous les atomes connus dans l’univers.
Il est constitué seulement, dans sa forme isotope 1H, d’un seul proton et d’un électron, sans aucun proton dans son noyau. Parmi les 5 isotopes connus de l’hydrogène, cet hydrogène léger ou protium 1H est largement le plus abondant et représente environ 99,98% de l’hydrogène naturel.
Les autres isotopes se différencient par le nombre de neutrons. Le deutérium 2H contient 1 neutron et un proton dans son noyau et représente moins de 0.0082% de l’hydrogène naturel. Le tritium 3H contient un proton et deux neutrons. Il est radioactif et présent en quantités infimes dans le total de l’hydrogène naturel. Les deux derniers isotopes de l’hydrogène, le quadrium 4H et l’hydrogène 7 ou 7H possèdent des durées de vie extrêmement courtes, bien inférieures à une seconde.
- En France, la Mission Hydrogène, une association Loi 1901, se consacre à la promotion de la recherche sur l’hydrogène. Elle travaille notamment à des démonstrateurs de stockage d’énergie sous forme d’hydrogène. Doc Mission Hydrogène
L’hydrogène fuit facilement
A l’état gazeux, la forme qui nous intéresse le plus, l’hydrogène est en réalité du dihydrogène. Sa molécule est formée de deux atomes d’hydrogène. On le désigne par le symbole chimique H2. C’est un gaz léger, très léger. Tellement léger qu’il a été utilisé dans les dirigeables de type Zeppelin, tristement fameux.
Le Zeppelin LZ Hindenburg, le plus grand dirigeable commercial jamais construit, a effectué durant plus d’un an la liaison régulière entre l’Europe et les Etats-Unis, avant d’être détruit par un incendie lors de son atterrissage dans le New Jersey, le 6 Mai 1937.
Comme les atomes d’hydrogènes sont les plus petits au monde, la molécule de H2, formée de deux atomes seulement, est également la plus petite molécule connue. Conséquence immédiate, l’hydrogène gazeux sous pression fuit volontiers et facilement.
Bien sûr, l’hydrogène brûle dans l’air - quand le mélange H2/air se situe entre 4 et 75% - en produisant de la chaleur et de l’eau. Il brûle d’ailleurs de manière très violente. Le pouvoir calorifique de l’hydrogène H2 est très élevé : il atteint 141.79 MJ/kg, contre seulement 49,51 MJ/kg pour le butane.
Combustion et explosion !
L’hydrogène H2 dans l’air forme un mélange détonnant lorsque la proportion H2/air se situe entre 13 et 65%. Une étincelle apportant seulement 0,02 mJ (milliJoule) d’énergie suffit à déclencher la combustion ou l’explosion. Alors qu’il faut au moins 0,29 mJ d’apport d’énergie, soit 14,5 fois plus, pour déclencher une explosion du méthane.
Pourtant, Il n’y a pourtant pas de quoi s’alarmer, pas outre-mesure en tout cas. L’Europe a toujours eu une très longue pratique de la distribution d’hydrogène en réseau. Le gaz de ville, obtenu par distillation de la houille dans les usines à gaz, était en effet composé à près de 63% d’hydrogène H2.
Les premières distributions de gaz de ville sont apparues en Angleterre vers 1812 pour l’éclairage public. La dernière usine à gaz de France, dans le territoire de Belfort, a fermé en 1970. Soit plus de 150 ans d’expérience de fabrication, manipulation et distribution d’un gaz largement composé d’hydrogène.
- La motorisation des véhicules à l’aide du couple Pile à combustible/moteur électrique est très prometteuse. Son effet de masse pourrait notamment conduire à une rapide baisse de prix des piles à combustible. Doc Welleman
Que peut-on faire avec l’hydrogène ?
Tant que l’on ne sait pas capter les sources d’hydrogène naturel qui existent dans le monde, les monts hydrothermaux au fonds des océans, par exemple, l’hydrogène n’est pas considéré comme une énergie. C’est plutôt un vecteur énergétique : un moyen de stocker, de transporter, puis de produire de l’énergie.
La grande promesse de l’hydrogène est de pouvoir un jour s’insérer parfaitement dans un système de production d’électricité d’origine renouvelable et donc, par nature intermittente. Les allemands, dans le cadre de leur transition énergétique, plus profonde et nettement plus engagée que la nôtre, expérimentent sur plusieurs sites, l’emploi de l’hydrogène comme stockage d’énergie électrique intermittente.
Si les éoliennes ou le photovoltaïque produisent, mais que la demande d’électricité n’est pas suffisante pour absorber leur production, il est possible d’utiliser le courant produit pour une électrolyse de l’eau qui fabrique de l’hydrogène. Cet hydrogène est stocké, puis utilisé pour produire de l’électricité, soit à l’aide de piles à combustibles, soit dans des génératrices thermiques plus classiques, lorsque la demande d’électricité augmente et que les sources intermittentes – éolien et photovoltaïque – ne suffisent plus. Il est également possible de recombiner l’hydrogène avec du gaz carbonique pour fabriquer du méthane de synthèse (CH4).
- Il existe déjà des bus à motorisation par pile à combustible. Les plus avancés sont les fabricants asiatiques, dont le coréen Hyundai et les japonais Toyota et Honda. Doc Toyota
Les voitures à hydrogène sont là
Le second emploi, bien plus avancé et susceptible d’un développement rapide est l’emploi de l’hydrogène pour la propulsion de véhicules à moteurs électriques. Le schéma est le suivant : station-service distribuant de l’hydrogène à la pompe + véhicule avec un réservoir d’hydrogène et une pile à combustible.
La pile à combustible fabrique de l’électricité pour alimenter le ou les moteurs de la voiture. L’autonomie est importante, contrairement aux véhicules électriques avec stockage dans des batteries. Le fonctionnement est parfaitement non-polluant. La voiture émet de l’oxygène et de l’eau.
Cet emploi est susceptible de générer un marché de masse qui pourrait faire baisser les coûts des piles à combustibles et les rendre abordables pour d’autres emplois, dont le chauffage. Dès maintenant, Hyundai avec sa Tucson et Toyota avec sa Mirai, commercialisent des voitures à piles à combustible aux Etats-Unis.
Honda devrait faire de même en 2016. Il existe également des bus à piles à combustible, ainsi que des camions. C’est la raison pour laquelle notre second article consacré à l’hydrogène portera sur les piles à combustible.
- Bien que l’hydrogène fuit facilement, il existe déjà un petit nombre de stations-services à hydrogène dans le monde. La Californie est en train de s’équiper et comptera plus de 50 stations fin 2016. Doc Mission Hydrogène
- En Europe, comme dans bien des domaines techniques, l’Allemagne est en avance. On compte déjà une trentaine de stations-services à hydrogène dans le pays. Celle-ci est installée à Berlin. Elle a été conçue, construite et elle est exploitée par Total. Doc. PP
- Le quartier de HafenCity à Hambourg, un réaménagement de la partie la plus ancienne du port de commerce, est un lieu d’expérimentation sur l’hydrogène. On y voit une station-service, régulièrement utilisée par des véhicules d’origine asiatique et allemande. Un court réseau enterré pour la distribution d’hydrogène y est également testé. Doc. PP
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- par georges
- 16/01/2016 07:39:27
Hydrogène directement dans un moteur à explosion, impossible car explosion trop violente. Pour le stockage de l'hydrogene voir le site http://www.observatoire-energies-entreprises.fr/de-lhydrogene-sous-forme-solide-pour-dynamiser-le-marche-des-energies-renouvelables-et-des-vehicules-electriques
platine
- par Treompan
- 12/01/2016 19:43:34
Ce jour plein fait avec ma Mégane mazout 100 ch, 1200 KM d'autonomie soit 4,6 L tous les 100 kM, combien avec la Miray de Toyota full cell et combien de KWh fourni pour 60 litres d'hydrogène. En plus elle est moche et coute 70000 € le même prix que la Tesla qui est belle au moins.
bronze
- par bazhudek
- 12/01/2016 10:36:20
Il est dommage que sous la pression des lobbies "mazouteux" les véhicules hydrogènes ne soient pas autorisés en France. Les choses bougent mais sous la contrainte et la pression de l'Europe mais pas de l'état Français. On a connu la même chose avec le GPL et ma voiture équipée PGLI (injection liquide gaz) était interdite en France il n'y a pas si longtemps (déblocage par directive européenne) pendant que le système se développait partout ailleurs ... gageons que nous cèderons pas encore aux sirènes de ... "c'est dangereux" avec les vidéo catastrophe qui tournent en boucle sur le Net !!
platine
- par Fred
- 11/01/2016 22:57:14
Même si les solutions hydrogène sont séduisantes, elles présentent un grand danger. Elles ne sont pas encore au point (et il faut bien sur continuer à travailler dessus) et il y a le risque que l'on ne fasse rien en attendant que ces solutions sortent. Le nucléaire est aussi une solution possible pour la production massive d'hydrogène.
argent
- par Pascal Poggi
- 11/01/2016 22:32:19
Je vois que l'hydrogène en tant que carburant suscite bien des questions. La suite de nos articles sur l'hydrogène portera initialement sur les applications stationnaires : pile à combustible et rôle de l'hydrogène dans le stockage de l'énergie. Mais je peux dès à présent vous annoncer deux autres thèmes que nous traiterons ensuite : l'hydrogène dans la propulsion (de voitures, d'engins, de bateaux, etc.) et l'exploitation de l'hydrogène naturel. Parce qu'il semble bien que je me suis trompé : il existe de l'hydrogène gazeux H2, pas seulement en mer à grande profondeur, mais aussi au milieu des continents, facilement récupérable par des forages classiques à faibles profondeurs. Il faudra tout de même que vous patientiez jusqu'au 6e et 7e article de notre série sur l'hydrogène.
platine
- par Treompan
- 11/01/2016 21:33:09
Et oui comme le dit Fabrice, ça consomme énormément d'énergie pour produire de l'hydrogène. Pour info, pas vu le soleil depuis trois jours et bourrasques qui mettent nos éoliennes (7) à l'arrêt depuis 30heures, alors merci qui?
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- par coco971
- 11/01/2016 21:17:27
Il faut voir ce que propose HONDA qui est la vraie solution d'avenir, mais il y aura sûrement de l'opposition de la part des grands !!!
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- par yaccard
- 11/01/2016 20:44:51
Bonjour, l'hydrogène est un très bon candidat pour faire du stockage inter-saisonnier à partir d'énergie solaire, ce qui permet d'être 100% autonome (thermique et électrique) et même non raccordé aux réseaux. Cette technique existe depuis 1992, je travaille avec plusieurs associations et ingénieurs pour mettre ça sur pied à plus grande échelle et pour un coût abordable. Plus d'infos sur hydrogene.onebus.fr.
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- par diag_etic
- 11/01/2016 19:54:46
A mon avis le problème majeur de l'exploitation de la combustion de l'hydrogène provient de la difficulté et du risque à maitriser la combustion sans danger. Mais qu'attends t-on dans notre pays de sous dévellopés qui ne fais que des choix à l'envers, pour lancer en masse ces technologies, qui, pour ma part, sont les seules solutions viables pour utiliser les énergies renouvelables et les stocker.
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- par Eric CURIEUX2
- 11/01/2016 19:45:31
Je suis aussi un Eric Curieux. Utiliser l'hydrogène comme carburant, effectivement, c'est possible, les fusées le font déjà. L'avantage de la pile à combustible, c'est que si vous lui fournissez de l'électricité, elle produit de l'hydrogène. Imaginez un véhicule qui fabrique son propre carburant si on peut le brancher sur une prise (ou mieux, des panneaux solaires), et même produire votre combustible de chauffage... Apparement pas rentable pour des investisseurs...
argent
- par obelix
- 11/01/2016 18:40:04
On nous parle là de véhicules asiatiques, Allemands utilisant la technologie de la pile à combustible. Que font donc Renault, PSA ? J'ai l'impression qu'à se concentrer sur le tout électrique à batterie rechargeable (et faible autonomie), "on" est en train de... louper le train!
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- par bob
- 11/01/2016 17:51:58
J'allais poser la même question que Monsieur CURIEUX !!!! Alors, c'est quoi le problème ???
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- par ERIC CURIEUX
- 11/01/2016 17:36:19
Je ne comprends pas pourquoi, nous n'entendons jamais parler de l'utilisation de l'hydrogène comme combustible gazeux dans un moteur à explosion par exemple, ca marche bien avec le GPL ? Il y aurait des blocages ???
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Bonjour Le moteur à explosion à hydrogène existe depuis longtemps, j'ai rencontré jean luc Perrier en 1982 à la foire de Paris, il roulais dans une Simca 1000 transformée pour rouler à l'hydrogène. BMW a aussi conçu un moteur thermique à l'hydrogène (voir lien ci dessous). Le petit inconvénient c'est que la température de flamme est plus élevée et donc, si vous utilisez le mélange hydrogène/air vous avez beaucoup de Nox. Par contre avec le mélange hydrogène/oxygène (et un moteur adapté), vous ne rejetez que de la vapeur d'eau. Toutes ces infos sont détaillées sur le site : hydrogene.onebus.fr Et l'hydrogène est dangereux, oui mais pas plus que les autres combustibles gazeux, on peut le produire grâce aux ENR et le stocker (été/hiver) pour faire une autonomie complète, cela existe en prototype fonctionnel depuis 1992.