L’hydrogène : une promesse d’avenir ?

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Après avoir asphyxié à mort notre planète, les énergies fossiles tendent à disparaitre !! En effet, les dernières réserves de pétrole seraient pompées vers 2080, le gaz naturel serait épuisé en une soixantaine d'années.

Les réserves de charbon (qui est beaucoup plus polluant que les deux premiers) tiendront encore quelques siècles.D’un autre coté, l’exploitation des énergies renouvelables telles que le solaire, la biomasse ou l'éolien est, pour l'instant, très limitée…. Dans le domaine de la recherche, une autre énergie cartonne. Très abondante, plus énergétique que le pétrole ou le gaz naturel, ni polluante, ni toxique, elle pourrait, en théorie, répondre à tous nos besoins. Son nom est l'hydrogène.

 

L’hydrogène c’est quoi ?

Premier élément du tableau périodique, l’hydrogène est l’élément chimiquele plus simple mais aussi le plus abondant de l’Univers puisqu’il représente 75 % de la matière en masse. C’est le principal composant du Soleil et de la plupart des étoiles. À l’état gazeux, il ne représente en volume que 0,55 ppm de l’atmosphère terrestre car, étant le gazle plus léger, il n’est pas retenu par la gravité terrestre.

Le mot hydrogène provient de la combinaison des deux termes grecs « hudôr : eau » et « gennân : engendrer ». Il a été découvert par le chimiste Cavendish qui, en faisant réagir des métaux avec de l’acide sulfurique, remarque la formation d'un gaz qu'il nomma « air inflammable ». Ce n’est qu’en 1783, que le chimiste français Antoine Laurent de Lavoisier lui donna le nom d'« hydrogène ».

Incolore, inodore, non corrosive, ce gaz a l’avantage d’être particulièrement énergétique : 1 kg d’hydrogène libère environ 3 fois plus d’énergie qu’1 kg d’essence (soit 120 MJ/kg contre 45 MJ/kg pour l’essence) Sous sa forme gazeuse habituelle, l’hydrogène est formé de deux atomes H. Il a donc pour symbole H₂ et est nommé « dihydrogène ».

Sa combustion, c'est-à-dire sa combinaison avec l’oxygène, est vive et produit beaucoup de chaleur par unité de masse avec pour seul résidu l’eau selon la réaction : H₂ (g) + ½ O₂ (g) → H₂O (l) + électricité (+ chaleur)

 

Comment produire de l’hydrogène ?    

 

Figure 1 : Principales origines de l'hydrogène produit dans le monde 

(2011 d'après IFP EN)

Pour être économiquement et écologiquement viable, la production d’hydrogène doit être compétitive et propre et ne doit pas nécessiter trop d’énergie.

Aujourd’hui, il existe plusieurs méthodes opérationnelles qui permettent de produire du dihydrogène, mais aucune ne répond parfaitement, pour l’instant, à ces trois critères. Cependant de nouvelles voies prometteuses sont en cours d’élaboration.Commençons d’abord par les méthodes traditionnelles :

• Le reformage = production d'hydrogène à partir des énergies fossiles

Le reformage de combustible fossile consiste à casser les molécules d’hydrocarbure sous l’action de la chaleur pour en libérer l’hydrogène.

95 % de l’hydrogène est produit à partir des combustibles fossiles par reformage L’extraction de l’hydrogène à partir du gaz naturel est le procédé le moins cher. Ce dernier, nommé « vaporeformage », consiste à exposer du gaz naturel à une vapeur d’eau très chaude pour libérer l’hydrogène qu’il contient. Mais ce procédé présente l’inconvénient de dégager du gaz carbonique CO₂.

• L’électrolyse = production de l'hydrogène par décomposition de l'eau

L’électrolyse consiste à décomposer chimiquement l’eau en oxygène et hydrogène sous l’action d’un courant électrique. Ce procédé ne dégage pas de gaz à effet de serre à condition toutefois que le courant électrique utilisé soit produit à partir de sources d’énergie elles-mêmesnon émettrices de CO₂(énergies renouvelables ou énergie nucléaire).

Actuellement, la production d’hydrogène par électrolyse coûte 3 à 4 fois plus cher que la production par reformage du gaz naturel. Elle souffre, également, d’un mauvais rendement global. Notons qu’il existe une électrolyse chlore-soude qui vise à produire du dihydrogène de la soude et du dichlore à partir d’une saumure (eau chargée de sel).

• Gazéification= Production directe à partir de la biomasse

Le procédé consiste en un premier temps à soumettre la biomasse (bois, paille,…) d’abord séchée, à une pyrolyse pour la transformer en charbon de bois. Vient alors le processus de gazéification : le charbon de bois est exposé à un agent de gazéification, pour produire un mélange gazeux contenant principalement du monoxyde de carbone CO, de l’hydrogène H₂ et du méthane CH₄. Ensuite ce mélange subit une purification par lavage pour en extraire l’hydrogène. Cette solution est attrayante car elle n’est pas coûteuse et son bilan carbone est nul.

Figure 2 : Sources d’hydrogène et domaines d’application.

• La production biologique = Production à partir de microorganismes

Certaines bactéries et micro algues ont la particularité de produire de l’hydrogène sous certaines conditions. Pour les algues, la production se fait au sein de bioréacteurs sous l’action de la lumière, en privant les algues de soufre. Le manque de soufre transforme la réaction de photosynthèse (qui produit de l’oxygène) en une réaction qui produit de l’hydrogène.

Concernant les bactéries, le dihydrogène est produit par fermentation. Cette opération est basée sur la transformation de matière organique (contenant de l’hydrogène) par le biais de diverses bactéries utilisant un système enzymatique.   On distingue ainsi, la photofermentation (qui ne se produit qu’en présence de lumière), la fermentation en obscurité (qui ne nécessite pas de lumière pour produire de l’hydrogène) et l’électrohydrogenèse (qui a lieu dans les piles à combustible microbiennes).

La recherche en nanotechnologie sur la photosynthèse peut conduire à une plus grande efficacité de production solaire d'hydrogène, telle la cellule photoélectrochimique.

• Gisement d’hydrogène = de l’hydrogène produit naturellement 

Ces dernières décennies, les géologues ont découvert plusieurs réserves d’hydrogène « natif » de la terre. Il s’agit d’une ressourcerenouvelable, un flux qui se régénère naturellement et non un stock fossile comme le gaz ou le pétrole.

Plusieurs théories tentent à expliquer la formation de ce flux de gaz riche en H₂ (80% à 98% le reste étant composé de méthane, parfois de di-azote ou d'hélium). Celle émise par l’Institut Français de Pétrole (IFP) stipule qu’au niveau du manteau terrestre, il y aurait lieu des réactions en profondeur consistant en une interaction entre les eaux chaudes et les minéraux ferro-magnésiens des roches basiques ou ultrabasiques générant du di-hydrogène. Cet hydrogène généré en profondeur dans la croûte continentale serait canalisé par des fractures ou des roches poreuses, pour s'accumuler dans des aquifères poreux, pour enfin ressortir en surface par des dépressions circulaires peu profondes et de diamètre hectométrique ou kilométrique. Ces réserves naturelles d’hydrogène ont été découvertes premièrement en Russie puis au Mali et les géologues continuent de creuser.

 

Les domaine d'application et d'utilisation de l'huydrogène

Le rôle industriel de l’hydrogène est très important. Il se traduit par une consommation mondiale annuelle d’environ 56.7 millions de tonnes dont les grands consommateurs sont principalement l’industrie chimique et pétrochimique.

Tableau : Principaux secteurs industriels utilisant de l'hydrogène

		Application	Description
Secteur industriel	Industrie chimique	Synthèse de l’ammoniac	Réaction catalytique de l’azote et de l’hydrogène
		Synthèse du méthanol	Synthèse à partir d'un mélange gazeux d’hydrogène, de CO et de CO2
		Synthèse oxo	Réaction catalytique avec les oléfines, produisent un mélange d’alcools isomères
		Autres produits chimiques	Production d’amines, de méthanol, d’eau oxygénée,…
	Industrie pétrochimique	Hydrodésulfuration (HDS)	Traitement catalytique, en présence d’hydrogène, de coupes pétrolières
		Hydrogénation des hydrocarbures insaturés	Réaction consistant à réduire ou saturer des composés organiques
		Hydrocraquage de distillats	Craquage catalytique sous forte pression d’hydrogène
	Aéronautique et automobile	Carburants	Propulsion d’engins spatiaux.
			Pile à combustible

Source : Technique de l’ingénieur

De nombreuses industries utilisent également l’hydrogène comme l’industrie alimentaire, l’industrie du verre, la métallurgie, le soudage, l’électronique, etc.

 

Les limites 

 À plus long terme, l’hydrogène pourrait devenir un vecteur important d’énergie grâce à sa combustion non polluante. Mais, en attendant, ce vecteur d’énergie se heurte encore à plusieurs limites :

• Stockage : L'hydrogène est un gaz très léger, ce qui est un handicap pour son stockage. Il est en général stocké dans des bouteilles sous forme comprimée, liquide ou sous forme d’hydrure métallique.
• Transport : L’énergie transportée par unité de volume d’hydrogène est beaucoup moins forte que celle du pétrole ou du gaz en raison de sa faible densité ;
• Risque d’explosion : Des risques d’inflammabilité et de détonation avec l’air existent (bien que moindres que pour le gaz naturel) ;
• Coût : Le coût du procédé de production d’hydrogène le plus prometteur, (l’électrolyse de l’eau), reste élevé. D’un autre coté, l’utilisation du dihydrogène en grand public dans les transports publics nécessite des investissements considérables pour la mise en place d’un réseau de stations à hydrogène (de type stations services)

 

L’hydrogène demain 

Si l’hydrogène-énergie est amené à devenir un vecteur énergétique largement répandu, les besoins en hydrogène augmenteront considérablement. Il faut changer d’ordre de grandeur pour sa production.

On prévoit en 2050 une large utilisation de l’hydrogène en tant que vecteur d’énergie qui couvrirait 20% des besoins énergétiques de la planète. Pour réaliser cet objectif, les capacités actuelles de production d’hydrogène devraient être multipliées par un facteur de 20, ce qui correspondrait à une production de l’ordre de 1135 millions de t/an

Ces chiffres sont considérables mais pas impossibles. Car il ne semble pas y avoir d’obstacle majeur à les atteindre avec les technologies connues aujourd’hui et avec les gisements d’hydrogène natif qui ne demande qu’à être découvert !

Pour en savoir plus

www.afh2.org

www.hydrogen.energy.gov