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.
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
Source : batirama.com / Pascal Poggi