L'hydrogène est un gaz dont les propriétés chimiques offrent un intérêt énergétique majeur. L'hydrogène est considéré comme un « vecteur énergétique » car il offre la possibilité, après avoir été produit, d'être stocké, transporté et utilisé.
L'HYDROGÈNE DANS LA TRANSITION ÉNERGÉTIQUE. Récupérer de l'énergie à partir du dihydrogène renouvelable ou bas-carbone préalablement stocké se fait de deux façons : soit sous forme de chaleur via sa combustion directe avec le dioxygène ; soit sous forme d'électricité via une pile à combustible (PaC).
L'hydrogène (H) est un gaz très léger dont la formule chimique est H2. Très inflammable, il est inodore, incolore, non toxique et non corrosif.
Utilisé comme carburant, l'hydrogène permet de produire de l'électricité à l'aide de piles à hydrogène embarquées. Il constitue ainsi une énergie complémentaire aussi bien pour des véhicules équipés de moteur à combustion interne fonctionnant au gaz (bus, bennes à ordures ménagères) que pour des véhicules électriques.
1 - Un problème de compétitivité
Car l'hydrogène est très cher à produire. L'électrolyse est deux à trois fois plus coûteuse que le vaporeformage, lui-même plus onéreux que les carburants fossiles. Ce gaz occupe aussi un grand volume et est inflammable, ce qui complique son transport et son stockage.
Le problème, c'est que ce moyen de production est très gourmand en énergie, avec de nombreuses étapes pour que son énergie puisse faire avancer un véhicule en bout de chaîne. L'efficacité énergétique d'une voiture électrique est d'environ 60 à 80 % contre 10 à 30 % pour son homologue à hydrogène.
L'Agence internationale de l'énergie (AIE) a assuré dans un rapport qui date déjà de 2019 que l'hydrogène est une énergie d'avenir. En effet, grâce à son faible rejet de CO2 cette énergie paraît être une alternative crédible. Effectivement associée à une pile à combustible, cette énergie ne rejette pas de CO2.
Il existe trois méthodes pour fabriquer de l'hydrogène : l'électrolyse de l'eau, le reformage du gaz (ou vaporeformage) et la pyrolyse de méthane.
L'hydrogène se trouve en très grande quantité sur Terre combiné à d'autres éléments comme dans l'eau ou les hydrocarbures mais il est peu présent dans notre atmosphère qui en contient seulement 0,00005%.
Leur énergie électrique est fournie par une pile à combustible. L'hydrogène est stocké sous pression dans les réservoirs dédiés du véhicule. Ce gaz (H2), ainsi que le dioxygène (O2) de l'air ambiant, alimente la pile à combustible. Ces deux gaz subissent une réaction électrochimique à l'intérieur de la pile.
Dans le détail, au sein du Vieux continent, l'Allemagne (11%), la France (6%) et les Pays-Bas (3%) sont les leaders du brevetage des technologies de l'hydrogène.
Carburant propre : une pile à combustible alimentée par l'hydrogène produit de l'électricité et le processus chimique rejette de l'eau. C'est ainsi que l'hydrogène apporte l'énergie nécessaire aux véhicules équipés d'une pile à combustible et permet une mobilité sans émission de polluants.
Sur Terre, on trouve essentiellement l'hydrogène sous forme combinée - à l'oxygène dans l'eau (H20), au carbone (CH4, C2H6, etc.) - mais aussi directement sous forme gazeuse. Plusieurs phénomènes entraînent en effet une génération continue d'hydrogène dans la croûte terrestre.
L'hydrogène utilisé dans les piles à combustible a un rapport énergie/poids dix fois supérieur à celui des batteries lithium-ion. Par conséquent, il offre une portée beaucoup plus important tout en étant plus léger et en occupant de plus petits volumes.
Les véhicules électriques à pile à combustible à hydrogène de dernière génération peuvent parcourir de plus grandes distances que de nombreux autres véhicules électrifiés. Par exemple, la Toyota Mirai peut vous accompagner sur 650 km avec un seul réservoir d'hydrogène. Et sans émissions.
On le trouve dans la composition du Soleil, des étoiles, des planètes gazeuses. Sur notre planète, on a noté quelques émanations d'hydrogène naturel, mais non exploitables en quantités significatives et à des coûts compétitifs.
L'hydrogène a un rôle régulateur dans notre organisme. Il a l'avantage d'être une toute petite molécule, si petite qu'elle peut se diffuser rapidement dans notre organisme et pénétrer dans les cellules et les tissus. Elle est réductrice et rapidement absorbée par le sang et le filtre pulmonaire.
Il n'y a aucune émission de polluants sur le site en question. Son usage peut donc être qualifié de propre. À ceci près qu'en général, l'hydrogène étant un gaz très peu dense, il doit être comprimé ou liquéfié, ce qui nécessite le recours à une quantité importante d'énergie qui, elle, peut ne pas être aussi propre.
Électrolyse de l'eau
La molécule d'eau, soumise à un courant électrique au travers de deux électrodes, se dissocie en oxygène et hydrogène gazeux : c'est l'électrolyse. Le courant électrique dissocie la molécule d'eau en ions hydroxyde (OH)- à la cathode et en protons H+ à l'anode.
Une technique de pointe pour stocker un maximum d'hydrogène dans un volume restreint consiste à transformer de l'hydrogène gazeux en hydrogène liquide en le refroidissant à très basse température. L'hydrogène se liquéfie lorsqu'on le refroidit à une température inférieure de -252,87°C.
Ainsi, pour produire un kg d'hydrogène, il faut 58.7 kWh d'électricité, mais l'énergie électrique qui en résulte n'est que de 13.4 kWh comme le montre le graphique ci-dessous.
Avec des procédés d'électrolyse industrielle, il faut aujourd'hui 1 l d'eau et 5 kWh d'électricité pour fabriquer 1 000 l d'hydrogène sous forme de gaz à la pression atmosphérique. Il faut ensuite comprimer ce gaz à 700 bars pour une utilisation automobile.
Toxicité cutanée Le contact de la peau avec l'hydrogène liquide ou le gaz qui s'en dégage peut provoquer des brûlures thermiques, voire des gelures (congélation des tissus) [3]. Toxicité oculaire L'hydrogène liquide comme le gaz froid qui s'en dégage peuvent provoquer des gelures [16].
L'hydrogène peut contribuer à réduire les émissions provenant de combustibles fossiles et d'industries très polluantes. Fait important, il peut aussi améliorer la fiabilité des sources d'énergie renouvelable. Selon nous, au cours des prochaines années, l'hydrogène : sera acheminé par l'intermédiaire de gazoducs.
L'hydrogène produit aujourd'hui sert à plus de 80 % à la fabrication d'ammoniac, indispensable à l'industrie des engrais, et au raffinage des produits pétroliers, afin de désulfurer les carburants.