1990, CEA & hydrogène

Les technologies de l’hydrogène font l’objet de programmes de recherches au CEA.

Jules Verne écrivait dans « L’île mystérieuse » qu’un jour l’eau serait employée comme source de combustible

Le CEA rappelle très justement l’œuvre de Jules Verne, qui écrivait dans « L’Île mystérieuse » qu’un jour l’eau serait employée comme source de combustible.

« L’hydrogène et l’oxygène, qui la constituent, utilisés isolément ou simultanément, fourniront une source de chaleur et de lumière inépuisables. »

Aujourd’hui, ce qu’on appelle abusivement le « moteur à eau » n’est plus tout à fait un rêve d’écrivain. Cette publication du CEA date de 2013 et est extrêmement actuelle.

source CEA : L’hydrogène, un vecteur d’énergie Lecture facile, bien illustré.

Le CEA nous explique que l’hydrogène et l’oxygène, qui la constituent, utilisés isolément ou simultanément, fourniront une source de chaleur et de lumière inépuisables. ” Grâce au dihydrogène, qui peut être produit à partir de l’eau et qui, en brûlant dans l’air, produit lui-même de l’eau, la réalité est sur le point de rejoindre la fiction. “

Précurseur, le CEA nous dit que si nous voulons un développement durable pour les générations futures, il devient nécessaire de diversifier nos modes de production d’énergie. 

Les technologies de l’hydrogène font l’objet de programmes de recherches au CEA depuis la fin des années 1990.

Quoi, un âge en négatif ?  J’avais  moins 8 ans en 90 !!!  Monsieur Etienne Klein, si je peux voyager dans le temps est-ce que mon corps reste le même ou bien je n'en ai plus en 1990 ?
Quoi, un âge en négatif ? J’avais moins 8 ans en 90 !!! Monsieur Etienne Klein, si je peux voyager dans le temps est-ce que mon corps reste le même ou bien je n’en ai plus en 1990 ?

L’ hydrogène & dihydrogène ?

On emploie le terme de « hydrogène » pour l’élément et de « dihydrogène » pour le gaz.

Léger, abondant et énergétique…explique le CEA

Face à la demande mondiale d’énergie, il sera l’acteur incontournable du XXIe siècle.

Hydrogène : premier de la classe

De tous les éléments chimiques, l’hydrogène est le plus léger car il possède la structure atomique la plus simple : son noyau se compose d’un unique proton et son atome ne compte qu’un électron.

Il tient donc la première place dans la classification périodique de Mendeleïev. Dans la classification périodique de Mendeleïev, chronologiquement, l’hydrogène est l’ancêtre de tous les autres éléments.

Chronologiquement, l’hydrogène est d’ailleurs l’ancêtre de tous les autres éléments. Présents dès les premiers instants de l’Univers, les noyaux d’hydrogène ont fusionné dans les étoiles pour donner naissance à des noyaux plus lourds et plus complexes.

Une petite molécule pleine d’énergie

La molécule de dihydrogène est constituée de deux atomes d’hydrogène. Incolore, inodore, non corrosif, le dihydrogène a l’avantage d’être particulièrement énergétique. La combustion d’1 kg de ce gaz libère environ 3 fois plus d’énergie qu’1 kg d’essence. Comme de nombreux combustibles, le dihydrogène peut s’enflammer ou exploser au contact de l’air.

Disponible nulle part…présent partout

Bien que l’hydrogène soit très abondant à la surface de notre planète – l’eau couvre 70 % du globe terrestre – il n’existe jamais à l’état pur. 

On trouve également de l’hydrogène dans les hydrocarbures qui, comme leur nom l’indique, sont issus de la combinaison d’atomes de carbone et d’hydrogène.

En 2013 le CEA disait déjà : “Combiné à l’électricité, le dihydrogène obtenu à partir de sources d’énergies bas carbone prendra une place croissante dans de nombreuses applications.”

Energie verte

source CEA : L’hydrogène, un vecteur d’énergie Lecture facile, bien illustré.

Les enjeux d’une économie de l’hydrogène

Bien avant 2013 le CEA disait : “Le dihydrogène est le parfait complément des énergies renouvelables, qui sont intermittentes.”

source CEA : Lecture facile, bien illustré.

Exemple d'énergies intermittentes

Exemple d’énergies intermittentes

Dihydrogène et combustibles fossiles

Au cours du XXe siècle, avec l’apparition du gaz naturel et surtout du pétrole, le dihydrogène n’a plus guère été utilisé pour fournir de l’énergie, si ce n’est dans le domaine de la propulsion de certaines fusées . 

Charbon, pétrole et gaz naturel ont longtemps été les principales sources d’énergie primaire.

Une insertion dans le mix énergétique

La production actuelle d’énergie électrique est principalement assurée en France par des réacteurs nucléaires et des barrages hydroélectriques. 

Par ailleurs, la production d’énergie électrique à l’aide de sources renouvelables est intermittente. 

La production de dihydrogène, lorsque ces sources fonctionnent à plein, et la restitution de l’énergie ainsi stockée lorsque la demande est maximale, permettraient d’optimiser l’usage de ces sources en lieu et place de celles émettant des gaz à effet de serre.

Une solution pour les lieux de consommation isolés

Il devient alors intéressant de produire cette énergie électrique sur place grâce à de petites unités d’énergies renouvelables avec un système de production, stockage et conversion de dihydrogène.

De nombreuses applications

On notera que le moteur électrique permet d’augmenter très significativement le rendement de la motorisation . Dans le cas des énergies renouvelables, il pallie efficacement leur intermittence en stockant sous forme chimique l’énergie excédentaire produite lors des périodes de forte production et/ou de faible consommation. 

Dans le cas de l’énergie d’origine nucléaire, il peut venir au secours d’une production mal adaptée à la gestion des pics de consommation. 

Son avenir est aussi dans la décentralisation de la production d’énergie électrique, induite par l’utilisation de sources renouvelables de petite ou moyenne taille, éparpillées sur de vastes territoires à faible densité de population.

Modes de production du dihydrogène

Nous l’avons vu, le dihydrogène n’est pas directement disponible dans la nature. Il a cependant l’avantage de pouvoir être produit à partir des trois grandes sources que sont les énergies fossiles, nucléaire et renouvelables.

Mais pour être économiquement et écologiquement viable, la production de dihydrogène doit répondre à trois critères :
• la compétitivité : les coûts de production ne doivent pas être trop élevés ;
• le rendement énergétique : la production ne doit pas nécessiter trop d’énergie ;
• la propreté : le processus de fabrication doit être non-polluant, sous peine d’annuler l’un des principaux atouts du dihydrogène.

CEA : L’hydrogène, un vecteur d’énergie source

“Compétitivité, rendement énergétique et propreté sont des critères à prendre en compte dans la production de dihydrogène.”

Plusieurs méthodes sont aujourd’hui parfaitement opérationnelles, mais aucune ne répond simultanément à ces trois critères. De nouvelles voies prometteuses sont en cours d’élaboration selon le CEA en 2013.

La production de dihydrogène

Il est utilisé notamment pour la production d’ammoniac et de méthanol, et le raffinage du pétrole. Utiliser le dihydrogène comme vecteur énergétique suppose donc d’augmenter radicalement sa production. Elle ne représenterait que’1,5 % de la demande mondiale.

Production de dihydrogène à partir des énergies fossiles

En 2013, 95 % du dihydrogène est produit à partir des combustibles fossiles par reformage : cette réaction chimique casse les molécules d’hydrocarbure sous l’action de la chaleur pour en libérer le dihydrogène.

Le vaporeformage du gaz naturel est le procédé le plus courant : le gaz naturel est exposé à de la vapeur d’eau très chaude et libère ainsi le dihydrogène qu’il contient. Mais la production de dihydrogène par reformage a l’inconvénient de rejeter du gaz carbonique (CO2), principal responsable de l’effet de serre dans l’atmosphère.

Pour éviter cela, sa production à partir de combustibles fossiles supposerait donc d’emprisonner le gaz carbonique par des techniques qui doivent faire l’objet de développements (on envisage, par exemple, de réinjecter le gaz carbonique dans les puits de pétrole épuisés).

L’hydrogène produit aujourd’hui par vaporeformage du méthane coûte environ 1,5 €/kg d’H2 (prix de production en usine, sans compter la distribution).

Le dihydrogène produit à partir du gaz naturel est le procédé le moins cher. Mais son prix de revient reste le triple de celui du gaz naturel.

Production de dihydrogène par décomposition de l’eau

L’électrolyse permet de décomposer chimiquement l’eau en dioxygène et dihydrogène sous l’action d’un courant électrique. 

La production de dihydrogène par électrolyse peut se faire dans de petites unités réparties sur le territoire national. 

Actuellement, la production de dihydrogène par électrolyse coûte 3 à 4 fois plus cher que la production par reformage du gaz naturel. 

L’électrolyse à haute température, qui est une variante du procédé d’électrolyse disponible aujourd’hui, permettrait d’obtenir de meilleurs rendements.

Production directe à partir de la biomasse

Une autre voie de recherche prometteuse consiste à mimer chimiquement les réactions impliquant les hydrogénases, pour développer des réacteurs chimiques bio-inspirés de production de dihydrogène.

c'est quoi hydrogénases, vite, vite...
c’est quoi hydrogénases, vite, vite…

Hydrogénases : définition selon le CNRS

Source BIP-CNRS : Site BIP-CNRS

Les hydrogénases sont des enzymes impliquées dans le métabolisme de l’hydrogène dans la majorité des bactéries.

Ce sont des enzymes de grande taille et particulièrement complexes d’un point de vue structural et fonctionnel, qui pourraient être utilisées comme catalyseurs, soit à l’anode de biopiles à combustible, soit pour la production de H~2~ à partir d’eau et d’énergie lumineuse par des micro-organismes photosynthétiques;.

Un obstacle à leur utilisation est cependant leur grande sensibilité à l’oxygène.

Bien que ces systèmes fassent l’objet d’une compétition intense sur le plan international, leur étude se heurte à des difficultés liées à leur fragilité et au fait qu’elles sont produites par des organismes dont la plupart ne permettent pas la mise en œuvre de techniques d’ingénierie génétique.

Les projets CNRS portent sur l’étude de plusieurs hydrogénase :

l’hydrogénase Fer-Fer de Chlamydomonas reinhardtii  en collaboration avec Hervé Bottin, CEA, Saclay

l’hydrogénase Fer-Fer de Clostridium acetobutylicum en collaboration avec Philippe Soucaille, INSA/INRA/CNRS, Toulouse.

l’hydrogénase Ni-Fe de Desulfovibrio fructosovorans, en collaboration avec Marc Rousset, au BIP, CNRS, Marseille.

l’hydrogénase Ni-Fe de Aquifex aeolicus en collaboration avec  Marie-Thérèse GIUDICI-ORTICONI au BIP, CNRS, Marseille.

Des expériences préliminaires ont permis de lever les principaux obstacles relatifs à l’ingénierie, la production et l’étude détaillée de ces enzymes. Il a alors été possible de bâtir des consortiums qui réunissent des équipes dont les expertises en biochimie, biologie moléculaire, chimie physique et modélisation se complètent.

Il s’agit d’utiliser toutes les possibilités offertes par les techniques de mutagenèse dirigée et de biophysique pour étudier le mécanisme de ces hydrogénases, en insistant particulièrement sur les aspects structuraux de la réactivité et de la sensibilité à l’oxygène.

Source BIP-CNRS : Site BIP-CNRS

Distribution et stockage du dihydrogène

Pour que le dihydrogène puisse réellement devenir le vecteur énergétique de demain, un vaste réseau de distribution devra cependant se mettre en place (par pipelines, réservoirs rechargeables…) afin de permettre toutes les utilisations.

Il devra être disponible à tout moment, en tout point du territoire. Mettre au point des modes de transport, de stockage et de distribution compatibles avec les faibles usages représente donc un enjeu crucial.

source CEA : L’hydrogène, un vecteur d’énergie Lecture facile, bien illustré.

Les réseaux de distribution

Des réseaux de distribution de dihydrogène par pipelines existent déjà dans différents pays pour approvisionner les industries chimiques et pétrochimiques. 

La réalisation de ces infrastructures industrielles démontre que l’on dispose d’une bonne maîtrise de la génération et du transport de dihydrogène. 

Pour distribuer le dihydrogène aux utilisateurs, des infrastructures de ravitaillement devront être développées. 

Il faudra cependant du temps pour que ces stations-service maillent tout le territoire, ce qui freine aujourd’hui le développement du dihydrogène dans les transports.

Le stockage du dihydrogène

Le dihydrogène ne peut jouer son rôle de vecteur d’énergie que si l’on peut le stocker efficacement, pour un coût limité et dans des conditions de sécurité acceptables. 

Le risque de fuite de dihydrogène doit être pris en considération, compte tenu du caractère inflammable et explosif de ce gaz dans certaines conditions. 

C’est le moins coûteux et le plus abouti des procédés pour stocker de grosses quantités de dihydrogène.

Stockage sous forme liquide à basse pression

Pour les applications transport, des réservoirs ont été mis au point, permettant le stockage de 12 kg de H2 pour les petits réservoirs des voitures. 

Le stockage en milieu confiné, comme dans les parkings, est ainsi rendu problématique.

Stockage gazeux sous basse pression

Lorsqu’il n’est pas nécessaire de réduire le volume de stockage, on peut envisager celui-ci sous forme gazeuse à une pression relativement basse. 

Dans ce cas, la réserve de dihydrogène est régulièrement reconstituée par un dispositif de production in situ alimenté par une source d’énergie renouvelable.

Stockage gazeux sous haute pression

Afin d’atteindre une densité d’énergie satisfaisante tout en évitant les inconvénients liés aux très basses températures nécessaires au stockage à l’état liquide, on cherche à développer le stockage à l’état gazeux sous haute pression .

Stockage sous forme d’hydrures à basse pression

L’ hydrure est un composé chimique contenant de l’hydrogène

Selon la nature du support, la température et la pression de stockage et de restitution sont variables, mais jamais excessives. La R&D dans ce domaine permettra de disposer dans un avenir proche de procédés de stockage variés et adaptés à leur usage.

La pile à combustible

En 1839, William R. Grove, avocat anglais, chercheur amateur en électrochimie, constate qu’en recombinant du dihydrogène et du dioxygène, il est possible de créer simultanément de l’eau, de la chaleur et de l’électricité. 

En 2021, des progrès ont été réalisés et les applications envisageables sont nombreuses : de la microPAC, qui ne produit que les quelques watts nécessaires à l’alimentation d’un téléphone mobile, à la pile capable de produire 1 MW pour fournir de l’électricité à un immeuble collectif, en passant par la pile destinée aux applications embarquées, dans le secteur des transports, il en existe désormais toute une gamme.

Les différentes filières technologiques

Deux variantes, la pile à méthanol direct et la pile à éthanol direct, consomment directement l’hydrogène contenu dans l’alcool. La pile à oxyde solide est séduisante pour les applications stationnaires, car sa température de fonctionnement très élevée permet d’utiliser directement le gaz naturel sans reformage. De plus, la chaleur résiduelle peut être exploitée à son tour directement, ou servir à produire de l’électricité par le biais d’une turbine à gaz.

Aujourd’hui l’hydrogène ?

Une mise en place progressive

Source de courant privilégié, il peut désormais assurer la propulsion de véhicules électriques qui circuleront demain, dès lors qu’une distribution aussi performante que celle des hydrocarbures aura été déployée. 

Déjà des flottes de bus ou de véhicules utilitaires peuvent circuler autour d’un point unique de ravitaillement.

Le dihydrogène en toute sécurité

Son emploi futur en tant que vecteur d’énergie, ainsi que l’apparition de nouvelles techniques de production, de transport, de stockage et d’utilisation rendent nécessaires l’édiction de réglementations adaptées ainsi que la rédaction de normes spécifiant les caractéristiques techniques assurant la sécurité des usagers. 

À l’échelle mondiale, le comité technique ISO1 TC 197, créé en 1990, rédige des normes relatives aux différentes étapes d’utilisation du dihydrogène. Le comité technique IEC3 TC 105 s’occupe, lui, plus particulièrement des normes associées aux piles à combustible. 

Le réseau HYSAFE4 contribue à l’élaboration de normes, de règlements et de guides de bonnes pratiques au niveau européen.

Image par akitada31 de Pixabay
Image par akitada31

Note de la rédaction :

Comme vous l’avez peut-être constaté, ce n’est pas la science qui est en retard, mais les volontés politiques, économiques…

Mettre en place des structures peut devenir très coûteux, il faut pour cela que les usagers soient économiquement et moralement au rendez-vous.

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