L’hydrogène, en fait, le dihydrogène n’est pas une énergie primaire mais de l’énergie transformée (secondaire).
La production mondiale de dihydrogène (H2) est
d’environ 60 millions de tonnes par an.
81,7% de la consommation d’énergie dans le monde est
fossile. Uniquement pour le pétrole il s’en consomme chaque jour dans le monde
15 milliards de litres.
8 milliards de litres sont consommés par les moteurs
thermiques, 1,5 milliards pour produire de l’électricité, 750 millions pour se
chauffer.
Si toute la production mondiale des 60 millions de tonnes de
dihydrogène (H2) était utilisée sous forme d’énergie cela
ne représenterait que 1,3% des besoins.
Caractéristiques
Le dihydrogène (H2) est un des composants de l’eau (H2O).
Sur terre c’est dans l’eau qu’il est le plus présent. On en trouve très peu à
l’état naturel.
À pression atmosphérique, le dihydrogène H2 se liquéfie à -252,87 °C. Il est alors possible d’en stocker 5 kg
dans un volume de 75 litres.
Cette solution de cryogénisation est pour l’instant réservée
à des applications spécifiques, parfois au transport, ainsi qu’au domaine
spatial.
L’hydrogène permet le transport et le stockage de l’énergie
mais ce n’est pas une source d’énergie au même titre que le gaz, le pétrole, le
vent, le solaire…
Le dihydrogène (H2) avec l’oxygène (O)
constitue de l’eau (H2O). Par électrolyse le processus est
réversible.
À partir d’hydrogène (H2) et de carbone (C), il est industriellement possible de reconstituer un carburant, le méthane. Le procédé se nomme la méthanation.
Le véhicule automobile à pile à combustible dynamise la
recherche, sa production massive souvent annoncée est pourtant toujours reportée…
Avantages
Le dihydrogène (H2) se dilue 12 fois
plus vite dans l’atmosphère que des vapeurs d’essence, ce qui limite
considérablement le risque de formation d’une nappe explosive.
Les risques d’inflammabilité et de détonation sont moins
élevés que pour le gaz naturel.
En cas de fuite, le dihydrogène (H2) très
léger se dissipe verticalement.
Le dihydrogène (H2) est le combustible privilégié pour alimenter les piles à combustible car il peut être obtenu au moyen d’énergie renouvelable (solaire, éolien…) ou pour le moins décarbonée (nucléaire).
À masse égale, le dihydrogène (H2) génère 3 fois plus d’énergie que l’essence.
Le dihydrogène (H2) est, dans l’eau,
très abondant sur terre, il permet, par électrolyse, de stocker l’électricité et
sa combustion est non carbonée.
Le dihydrogène (H2) étant utilisé dans l’industrie depuis de très nombreuses années, on peut considérer que, dans les installations fixes, les risques sont maitrisés.
Le dihydrogène (H2) n’est pas plus
dangereux que le gaz ou l’essence.
Inconvénients
Le dihydrogène (H2) mélangé à l’air,
en cas de fuite, crée tout de même une ambiance explosive car il est
inflammable et détonnant.
Le dihydrogène (H2) est une source d’énergie attractive qui se heurte à plusieurs difficultés : la production, la purification, le stockage puis le transport.
Bien que le dihydrogène (H2) soit porteur d’une grande quantité d’énergie il a une très faible masse volumique 0,089 g.L-1 (sous forme de gaz dans des conditions normales de température et de pression), 70,8 g.L-1 (sous forme liquide à −253 °C). Par comparaison le gazole a une masse volumique de 854 g.L-1.
Sa faible masse volumique ne compense pas son pouvoir énergétique ce qui pose le problème de l’autonomie en fonction de la capacité de stockage disponible. De plus, embarquer du dihydrogène sous forme liquide dans un véhicule particulier n’est pas envisageable pour l’instant.
L’utilisation massive du dihydrogène (H2) en tant que carburant est également dépendante du développement d’une pile à combustible performante et d’un coût abordable.
Le dihydrogène (H2) est très léger et peut s’accumuler en partie haute dans des lieux clos. Sa molécule est de très petite taille ce qui ne facilite pas l’étanchéité. Les risques de fuite sont plus importants qu’avec d’autres combustibles.
Le dihydrogène (H2) induit une combustion vive facilitant l’explosion.
L’énergie nécessaire à son inflammation est faible. Elle est
de 20 µJ contre 250 µJ pour le propane et 290 µJ pour le méthane.
Sa vitesse de combustion (265 à 325 cm.s-1) est considérablement plus élevée que celle du propane (30 à 40 cm.s-1), ou du méthane( 40 cm.s-1).
Les normes de sécurité restent à définir pour les voitures particulières : en cas d’accident, dans des parkings fermés, les tunnels, les stations-service en ville…
Le stockage sous forme liquide ou sous une pression de 700 bars exige des protocoles de sécurité rigoureux.
La production du dihydrogène
Pour obtenir du dihydrogène (H2), soit on le
sépare de l’oxygène (O) par électrolyse de l’eau, soit on l’isole du carbone
(C) dans le cas du vaporeformage du méthane, de produits pétroliers ou de
charbon.
Le vaporeformage émet du CO2 (dioxyde de carbone)
en grande quantité. Pour obtenir une tonne de dihydrogène (H2) on
rejette 10 tonnes de CO2 (dioxyde de carbone).
Le vaporeformage est le procédé le plus économique mais le
plus polluant.
© CC BY-SA
Électrolyseur intégré dans un conteneur. Au pied d’une
source de production de courant renouvelable, l’électricité non utilisée peut
être stockée sous forme de dihydrogène.
L’électrolyse produit du dihydrogène (H2)
extrêmement pur mais 4 fois plus cher que s’il est obtenu par vaporeformage.
La production mondiale de dihydrogène (H2)
rejette par an environ 600 millions de tonnes de CO2 (dioxyde de
carbone) dans l’atmosphère.
L’énergie nécessaire pour l’électrolyse est de 50 kWh d’électricité pour produire 1 kg de dihydrogène (H2).
Bien qu’il y ait des pertes, le dihydrogène (H2) permet
de stocker de l’énergie qui serait autrement inexploitable.
Si le dihydrogène (H2) est obtenu par électrolyse
de vapeur d’eau à haute température le rendement est très satisfaisant. Il n’y
a pas de production de CO2 (dioxyde de carbone) si l’énergie
utilisée est renouvelable ou bien à défaut nucléaire.
© Fernando Henrique M. de Araujo CC BY-SA
Afin de disposer d’une énergie verte il conviendrait
d’obtenir le dihydrogène (H2) à partir d’une électrolyse de l’eau
réalisée au moyen d’électricité non stockable produite par exemple par des
éoliennes, des panneaux solaires, un procédé de méthanisation.
Pour un véhicule possédant une pile à combustible alimentée par du dihydrogène (H2), les émissions vont dépendre du mode d’obtention du dihydrogène (H2) et de l’origine de l’énergie électrique utilisée.
Pour obtenir du dihydrogène (H2) il faut produire
de l’électricité, malheureusement, sa production à l’échelon mondial est actuellement
à 40% issue du charbon.
Pour son fonctionnement, une pile à combustible alimentée par du dihydrogène (H2) vert ne produit pas de CO2 (dioxyde de carbone) pas de particules, pas de NOx (monoxyde d’azote NO + dioxyde d’azote NO2).
L’utilisation de véhicules à pile à combustible (fonctionnant au dihydrogène), permettrait d’écarter la pollution des grandes agglomérations.
L’Inconvénient vient du fait que 80% de la mobilité est assuré par des voitures particulières alors que c’est le transport en commun qui est le plus adapté à l’électrification.
© Ubahnverleih CC BY-SA
Train électrique Alstom fonctionnant au dihydrogène (H2). Le stockage est effectué dans des réservoirs sous pression logés sous le toit. Une série de batteries est utilisée en tampon, de manière à renforcer la puissance au démarrage, puis à récupérer l’énergie produite par l’effort de retenue nécessaire à l’arrêt.
Les problèmes liés à l’utilisation du dihydrogène (H2) concernent également le nombre de points de ravitaillement et de stockage et de quelle manière ils sont approvisionnés.
Le dihydrogène (H2) est fabriqué, ce n’est pas une énergie primaire directement exploitable.
La France produit 1 000 000 de tonnes de dihydrogène (soit 1,5% de la production mondiale), nous n’en produisons que 0,02% par électrolyse de l’eau.
Au niveau mondial, 96 % de la production de dihydrogène (H2) est issue d’énergie fossile : du gaz (méthane), du pétrole ou du charbon.
48% du dihydrogène (H2) est produit par
vaporeformage du méthane (gaz naturel) avec de la vapeur d’eau surchauffée
entre 700 et 1000°C.
30% par vaporeformage de produits pétroliers.
18% par gazéification de charbon.
4% de dihydrogène (H2) est produit par
électrolyse de l’eau à basse ou moyenne température.
À l’horizon 2030, il n’est pas raisonnablement envisageable
qu’une production massive de dihydrogène (H2) vert prenne le pas sur
le vaporeformage de ressources fossiles.
Le dihydrogène (H2) transforme l’énergie mais à perte.
Les pertes principales ont lieu lors de l’électrolyse, il
faut ensuite de l’énergie pour comprimer le dihydrogène (H2) puis
pour le transporter. A la fin du processus, il ne reste que 20 à 30% d’énergie
utilisable par le moteur électrique de propulsion.
Si le dihydrogène (H2) est fabriqué à partir d’électricité
nucléaire excédentaire, sa production n’est que décarbonée. Mais dans ce cas, il
est plus efficace, au niveau du rendement et de la protection de
l’environnement, de recharger directement les batteries d’un véhicule
électrique.
La production de dihydrogène (H2) mondiale est obtenue à partir de reformage du gaz naturel. La quantité de CO2 (dioxyde de carbone) émise durant cette opération est supérieure à celle qui aurait été rejetée par des moteurs thermiques s’ils avaient fonctionné directement en utilisant du méthane.
Le vaporeformage du méthane trop polluant devrait être abandonné.
L’électrolyse est encore trop chère. Mais la
pollution a également un coût inestimable car elle impacte la santé des
personnes. En France, le
secteur des transports (avions, bateaux, poids lourds, automobiles) est
responsable de l'émission de 14 % des particules PM10 et
de 18 % des particules PM2,5.
Pour limiter les inconvénients dus au transport, la production pourrait se concevoir en installant des électrolyseurs à proximité de la production d’énergie électrique.
Le dihydrogène (H2) pourrait être produit sur site
éolien ou solaire de manière à stocker de l’énergie verte en période de
surproduction.
Il s’avère urgent que la production de dihydrogène (H2) par électrolyse grâce à de l’électricité décarbonée dans un premier temps (hélas nucléaire) puis verte (éolien, solaire…) puisse se développer.
Le dihydrogène (H2) a pour principal avantage
d’être très bien adapté à un stockage durable de grandes quantités d’énergie.
Il n’est pas sérieux d’envisager d’inonder le marché de moyens de transport que l’on ne pourra pas alimenter en carburant.
