JF Fauvarque Professeur titulaire de la chaire d'électrochimie industrielle du CNAM
L'Hydrogène (H2) est un gaz de très faible densité, avec une chaleur de combustion élevée. L'énergie d'inflamation de l'hydrogène est inférieure à celle du GPL. Il n'est donc, "explosivement parlant" pas plus dangereux qu'un GPL. D'autre part, du fait de sa moindre densité, il est moins dangereux qu'un GPL si on le laisse s'échapper.
Première idée reçue erronée, l'Hydrogène n'est pas plus dangereux que le GPL que l'on maitrise techniquement aujourd'hui. L'hydrogène nécessite plus d'énergie à comprimer que le Gaz naturel.
L'énergie de combustion de H2 est de 238,7 Kjmole -1. 1 m3 d'H2 dans les conditions normales de température dégage une puissance de 3kw/heure. Pour le Prix, une énergie Thermique de 1000 m3 d'H2 soit 3000kw/heure coûte environ 45Euros.
Il existe déjà aujourd'hui une production importante d'Hydrogène. La fabrication de chlore et de soude produisent chaque année 40.000tonnes d'H2 pur.
Le reformage du méthane est une autre technique de production d'Hydrogène. La réaction chimique consiste à mélanger du méthane avec de l'eau, soit la réaction CH4 + 2H2O -> CO2 + 4H2 qui donne 75% d'Hydrogène en volume. Les capacités de production d'Hydrogène sont potentiellement élevées. Le coût de reformage du méthane est estimé à 0,2Euros par m3.
Autres possibilités de création d'H2, la gazéification de la biomasse
Est-ce économique?
Par electrolyse de l'eau, l'énergie nécessaire pour produire 1 m3 de H2 est en mode classique de 5Kwh/m3. Conclusion, si on dispose de suffisamment d'énergie, on peut produire du H2.
Deuxième idée erronée, L'hydrogène n'est pas une source énergétique, mais seulement un moyen de transformer de l'énergie. C'est une confusion souvent faite. L'utilisation de l'hydrogène ne nous affranchit pas de développer des sources d'énergie renouvelables. Utiliser de l'hydrogène produit à base d'énergie pétrole pour les transports routiers, c'est reporter la pollution par le CO2 au niveau des centres de production de cet hydrogène. (On peut cependant penser que les émissions de CO2 seront récupérables et en tout cas plus contrôlables au niveau de ces grands centres de production).
Maintenant que nous avons vu qu'il était possible de produire de l'hydrogène en grande quantité (à la condition de disposer d'énergie electrique en grande quantité.) Cet hydrogène peut ensuite être stocké dans des réservoirs pour pouvoir ensuite, restituer de l'énergie électrique grace aux piles à combustible. Le principe des piles à combustible est le suivant :
L'hydrogène stocké dans des réservoirs est injecté dans un bain catalytique. La rencontre, dans ce bain catalytique de l'hydrogène avec l'oxygène de l'air libère 2 électrons et une molécule d'eau :
| H2 -> 2H+ + 2e- |
| 1/2O2 + 2H+ +2e- -> H2O |
| H2+1/2O2-> H2O |
| Delta H=-286Kj/Mole |
Il existe plusieurs type de PAC, nous allons citer les plus classiques
PAC à Générateur electrochimique
C'est la pile la plus classique. Elle possède un Système ouvert d'injection de carburant et une régulation de la chaleur nécessaire.
PAC à acide phosphore
La pile est constituée d'une Membrane échangeuse de protons. Elle permet un fonctionnement à des températures plus basses et engendre donc moins de problèmes de régulation thermique
PAC à carbonante fondu
Cette pile utilise des Oxyde solide, elle permet des températures plus hautes
Les PAC sont utilisées depuis 1965 dans le programme spatial. Aujourd'hui les développements les plus attendus sont dans l'automobile. Les PAC à hautes températures sont également interessantes pour faire de la cogéneration qui améliore le rendement énergétique global de la pile.(en récupérant la chaleur dans une turbine à vapeur)
Thierry ALLEAU président de l'Association française de l'Hydrogène. (AFH2)
3 Techniques sont disponibles :
Stockage souterrain.
Il existe plusieurs possbilités de stockage de l'Hydrogène en très grande quantité et l'on explore le même type de voie pour cacher le CO2 produit par notre consommation. On parle de stocker de l'hydrogéne
Ce stockage en grande quantité est important parcequ'il permettrait, si on utilise des énergies renouvelables de produire de l'hydrogène lors des pics de production de ce types d'énergie et de le stocker pour une utilisation différée. Cela revient à stocker de l'énergie, ce que nous ne savons pas faire aujourd'hui.
Revenons maintenant aux autres modes de stockage, pour les utilisations humaines.
Dans des réservoirs métalliques en acier (3500l)
Le stockage de petite taille peut se faire dans des dans des matériaux divers avec des formes variées. On trouve des réservoirs en matériau composite de forme géométrie cylindro sphérique ou des vessies en alluminium ou en thermoplastique. Avec une vessie en thermoplastique on obtient des performances de 350 Bars à 13% Massique. Avec un véhicule qui consomme 1kg au 100 km on peut obtenir avec ce type de réservoir une autonomie de 500km avec moins de 100 kg de réservoir.
Les deux fournisseurs principaux sont QUANTUM (USA) et DYNETEK (Canada). Tous deux développent des réservoirs de 350 et 700 bars, avec un coefficient de sécurité de 2,5. En France ULLIT et COMPOSITE AQUITAINE ont réussi des stockages à 700 bars de pression. L'activité se normalise et une norme ISO sur le stockage de l'H2 sera publiée d'ici 2006-2007.
Le stockage cryogènique (sous forme liquide) est utilisé principalement dans le domaine spatial. Il s'agit de stocker l'hydrogène a une température de -253°C et à une pression de 70g/litre. La NASA a fabriqué des réservoirs cryogèniques de 3800m3 pour la navette spatial. A Kourou on trouve 4 réservoirs de 360m3. La perte en hydrogène de ces réservoirs est de 0,1% massique par jour.
En dehors de ce stockage ede gros volume, on trouve aussi du Stockage d'hydrogène liquide de seulement quelques kilos d'H2. Liquéfier l'H2 coûte plus ou moins en fonction de la taille de l'usine. Le coût de la liquefaction peut être acceptable dans de grosses unités.
Les hydrures sont des alliages nanocristallins à base de dufférents métaux Mg, Ve, FETi, CaNi5. Ils permettent d'atteindre une densité de stockage d'hydrogène à 1 à 2% massique mais offrant une sécurité maximale et ce, à de basses températures. (L'institut de recherche sur l'hydrogène développe des procédés de mesure et de suivi du comportement de l'hydrogène dans ces hydrures http://www.irh.uqtr.ca/stockage/hydrures/index.php)
La physisorption sur charbon activé offre une avenue prometteuse pour diminuer les pressions de stockage de carburants gazeux. Elle est utilisable à la fois pour le gaz naturel et l'hydrogène. Si les développements sont très prometteurs pour le gaz naturel, ils le sont moins pour l'Hydrogène car il nécessite un abaissement plus important de la température. Performance actuelle stockage de 5kg d'H2 dans un réservoir de 47Kg
On a constaté que le verre avait la particularité de devenir poreux à l'hydrogène à partir de 500°. L'idée est venue d'utiliser des microbilles de verre creuse pour stocker de l'hydrogène. Ces microbilles sous certaines conditions de pression et températures redevenant poreuse laisse alors s'échapper l'hydrogène. Performance actuelle 5 Kg d'H2 stockés dans 90 un réservoir de 90Kg et 250 l.
Un espoir en 1996 puis plus rien.
Le transport de l'hydrogène n'est pas plus complexe que le transport du gaz naturel. On retrouve donc les mêmes possibilités transport routier en bouteille de gaz compressé ou sous forme liquide ou par réseau de pipe.
Ce transport se fait aujourd'hui dans des bouteilles en acier contenant 80kg d'H2.
La technologie de transport par Pipe est mature. La société Air Liquide gère déjà 1500km de réseau. L'hydrogène peut circuler mélangé avec le gaz naturel, ce qui permet de réutiliser l'infrastructure existante. Des tests on montré que l'on pouvait rajouter sans problèmes de 10 à 20% d'H2. La séparation de l'hydrogène et du Gaz Naturel s'effectuant sans problème en mettant en place des membranes poreuses en bout de circuit.
Le trasport d'hydrogène liquide peut se faire dans des bouteilles par route. Un camion de 40 tonnes peut transporter 3,5 tonnes d'H2. Par mer, plus de 100 tanker transportent déjà aujourd'hui du Gaz Nature liquefié. Un projet de barge transprotant 200.000 m3 d'hydrogène est en cours. L'évaporation dans le cas du transport d'Hydrogène liquide serait de l'ordre de 0,2 à 0,4%
La distibution de l'hydrogène a des fins industrielles peut se faire par réseau de pipes. La distribution de l'hydrogène au particulier pourrait se faire en utilisant le réseau de gaz de ville.
Pour les véhicules à Hydrogène,il existe actuellement plusieurs dizaines de stations dans le monde. En Europe, le programme CUTE et ECTOS a pour mission d'aider au déploiement des stations distribuant de l'hydrogène. Le remplissage des véhicules pourrait être rapide, quelques minutes suffirait pour faire le plein sans réchauffement de réservoir. Total et Air liquide développe des stations dans le monde entier.
Déterminons le coût afin de voir dans quel mesure l'hydrogène peut être compétitif pour concurencer le pétrole dans le transport routier.
Conclusion : L'Hydrogène a un coût accessible, il n'y a pas de problèmes en terme de stockage et de destribution. Les technologies sont matures et maitrisés. Reste la volonté politique...
Pour en savoir plus
www.afh2.org
Les propulsions du futur
Iskender Gökalp Directeur du laboratoire de combustion et système réactif au CNRS.
Le problème des energies du futur
L'énergie n'est pas équitablement distribuée. Aujourd'hui les 6 Milliards de terriens consomme 9Gtep mais 1 milliard d'individus consomment 5 fois plus que les autres. Comme ces autres ne rèvent que de pouvoir consommer autant que les premiers, et que nul n'a le droit moral de les en empècher, on peut prévoir en 2050 que l'humanité qui comprendra alors entre 8 et 10 Milliards d'individus aura un besoin énergétique compris entre 25 et 30 Gtep.
Les réserves s'épuisant, le coût de l'énergie fossile va augmenter et il faudra compenser cet épuisement en trouvant 15 Gtep complémentaire en 2050.
Dans 150 ans on aura injecté dans l'atmosphère une quantité de carbone que la nature a mis des milliards d'années à éliminer. Il est impératif de décarboniser l'énergie en utilisant l'énergie hydrogène.
La simplicité de la cinétique chimique de l'Hydrogène en fait un combustible très performant. Cependant il n'est pas sans inconvénients. L'hydrogène attaque la couche d'Ozone et est donc à manipuler avec précaution. Il a un large domaine d'inflammabilité et une transition facile à la détonation. Et il n'existe pas à l'état natif sur terre et il faut donc de l'énergie pour le produire
Le soleil semble être la seule énergie renouvelable et durable susceptible d'être utilisée de façon intensive pour créer H2. Des calculs montre que, sur terre, une plateforme de 90.000Km2 peut fournir 13 Terawatt. Si on monte cette plateforme dans l'espace les performances sont alors 6 fois meilleures et 15.000km2 suffisent. Une plate-forme solaire immense située en Orbite géostationnaire autour de la terre pourrait envoyer de l'énergie par rayonnement micro onde vers la terre qui pourrait ensuite être transformée en electricité.
Conclusion
En conclusion, les perspectives de l'hydrogène sont extrêmement intéressantes. Mais l'hydrogène n'est pas une source d'énergie, mais seulement un moyen de la transformer et de la transporter. L'hydrogène n'existe pas sous sa forme gazeuse dans notre atmosphère. Il faut donc le fabriquer. Plusieurs technique de fabrication existe pour le produire en grande quantité, certaines générant du CO2, toute consommant de l'énergie. L'utilisation de la PAC n'affranchit donc pas de trouver des sources d'énergie éternelles. Mais, de toutes façons et, dès aujourd'hui, utiliser l'hydrogène pour le secteur des transports permettrait de :
Il faut absolument éviter de le laisser s'échapper car sous forme gazeuse, il attaque la couche d'ozone. Il sera donc préférable de le fabriquer dans de grosses unité de production sécurisée dans lesquelles l'H2 sera produit en grande quantité, les fuites seront maitrisées.
L'hydrogène est parfaitement utilisable dès aujourd'hui par le secteur des transports. Seul l'effort politique pour un engagement délibéré vers son utilisation permettra de développer les infrastructures utiles.
Dans la séance des questions réponses, j'ai interroger les intervenants sur les développements de l'hydrogène dans l'aéronautique civile. L'aéronautique civile étant aujourd'hui un des plus gros contributeurs de l'effet de serre par sa consommation de Kérosène et par le fait qu'elle rejetter CO2 et H2O dans la stratosphère, à l'altitude où ces deux gaz à effet de serre sont les plus génants et difficiles à éliminer.
Il m'a été répondu qu'Airbus et Boeing faisait effectivemment des recherches sur un avion à Hydrogène Cryo-Plane, je vais enquêter....