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L'hydrogène :
L'hydrogène :
pourquoi ?
Mais pourquoi l'hydrogène surgit-il soudain au premier plan des
préoccupations ?
Cela s'explique d'abord par l'accroissement systématique des problèmes
dus au réchauffement de la planète. Les émissions
de CO2 imputables à la consommation de combustibles
fossiles (charbon, pétrole et gaz naturel) entraînent
des catastrophes climatiques toujours croissantes - tempêtes, inondations
et sécheresses - qui mettent en danger la vie des humains tout
en minant l'économie planétaire. D'autant plus que la demande
mondiale en énergie ne cesse de croître.
Or, l'hydrogène est un carburant propre : les résidus d'un
moteur propulsé à l'hydrogène se présentent
sous la forme de vapeurs d'eau et de faibles émissions d'oxydes
nitreux.
C'est la principale raison pour laquelle, on s'en doutera, l'hydrogène
continue de faire des percées dans le domaine de l'énergie.
L'hydrogène :
caractéristiques
L'hydrogène est l'élément le plus abondant dans l'Univers.
Gaz transparent, inodore, insipide. Atome le plus petit de tous les éléments,
qui ne comporte qu'un proton et un électron.
On le retrouve partout sous une forme composée, agglomérée
à d'autres éléments pour former tous les types de
molécules, pierre d'assise, matériau même du monde
à l'échelle cosmique. Source d'énergie du Soleil.
Ici, sur Terre, l'hydrogène a permis rien de moins que l'éclosion
de la vie telle qu'on la connaît en se combinant avec un autre élément
fondamental, l'oxygène, pour former l'eau.
Pas d'H2O,
pas d'humain.
Pas de planète bleue non plus !
L'hydrogène est un constituant
de l'eau, des hydrocarbures et de toutes les molécules organiques.
Il est si léger que, libéré dans l'atmosphère,
il s'élève dans l'air et finit par diffuser dans l'espace.
Mais il se trouve aussi que la molécule d'hydrogène n'est
présente qu'à moins d'une partie par million dans l'atmosphère
terrestre : il y en a partout, mais habituellement en toutes petites quantités.
De sorte que si l'on veut s'en servir, il faut d'abord réussir
deux opérations complexes et jusqu'ici fort coûteuses :
extraire la molécule d'hydrogène des composés où
on la retrouve, et surtout la stocker d'une façon ou d'une autre.
L'hydrogène :
techniques de production
1. Techniques connues
L'hydrogène est actuellement fabriqué par
électrolyse ou par reformage, techniques désormais bien
connues.
- L'électrolyse est le procédé de décomposition
chimique de l'eau en oxygène et hydrogène sous l'action
d'un courant électrique. Sous réserve de recourir à
une électricité d'origine renouvelable, cette production
d'oxygène et d'hydrogène présente un bon bilan
environnemental. C'est l'hypothèse la plus réaliste
pour notre environnement insulaire disposant de beaucoup d'eau. cf:sujet
stage hydrogène pour l'année 2004
- Le reformage utilise du pétrole ou du méthanol dans
le véhicule lui-même. Le reformage peut produire de l'hydrogène
à consommer dans une pile à combustible. Le reformage
pose le problème du produit primaire à transformer en
hydrogène. Un grand nombre de produits pourraient être
utilisés : le méthanol, le gaz naturel, l'essence,
le gazole, le naphta... Un des grands inconvénients de ce procédé
est qu'il émet des grandes quantités de CO, gaz toxique.
Mais alors pourquoi ce détour, si c'est pour polluer encore
avec du pétrole ? Globalement, un véhicule avec
pile à combustible émettrait moins d'oxydes d'azote
et de particules et la qualité de l'air s'améliorerait.
Ce type d'application pour l'île de La Réunion pourrait
s'envisager en s'appuyant sur la filière industrielle du sucre
et de ces dérivés. Le bilan carbonné est alors
à vérifier.
2. Techniques R&D
Une autre méthode de production d'hydrogène
peut être abordée, elle aussi liée aux énergies
renouvelables. Il s'agit de la production à partir de
la biomasse mais
aucun procédé n'est encore mûr techniquement.
La biomasse est utilisée pour produire de l'électricité
qui permettra ensuite de produire l'hydrogène par électrolyse.
Plusieurs méthodes existent actuellement :
- transformation en alcool (éthanol,
méthanol) ou méthane suivi de reformage,
- pyrolyse et gazéification de la
biomasse suivi de reformage,
- la photosynthèse.
La fermentation de la biomasse permet de produire une
solution alcoolisée, dont il pourra être obtenu après
distillation du méthanol ou de l'éthanol. Un autre type
de fermentation (anaérobie) permet d'obtenir du biogaz contenant
essentiellement du méthane et du CO2. Ceux ci peuvent
être ensuite reformés suivant les procédés
cités ci dessus.
Dans le cas de la gazéification, il est nécessaire de faire
sécher la biomasse, puis la thermolyser à 600°C, la
fait réagir vers 1000°C avec de l'air ou de l'eau (reformage),
enfin les impuretés doivent être éliminées.
Le gaz obtenu, riche en H2 et CO, peut être utilisé
directement pour produire de l'électricité, purifier pour
en extraire H2, ou transformer en méthanol.. C'est
un procédé dont la mise au point pourrait prendre encore
quelques années.
Concernant la photosynthèse, des scientifiques
californiens viennent en effet de démontrer que l'algue verte (Chlamydomonas
reinhardtii) peut produire de l'hydrogène.
Comme toutes les plantes vertes, cette algue utilise la photosynthèse
pour transformer l'eau et la lumière du soleil en sucres contenant
de l'oxygène et de l'hydrogène. Quand la photosynthèse
devient impossible, cette algue puise dans ses stocks d'énergie
sucrée, ce qui libère l'hydrogène.
L'hydrogène :
utilisations
On peut utiliser l'hydrogène comme source d'énergie de 2
façons :
- en le brûlant dans un moteur à combustion interne ou
une génératrice,
- ou en le décomposant dans une pile à combustible pour
produire de l'électricité.
1. Combustible direct
Comme le gaz naturel, composé surtout de méthane (de formule
CH4) en chimie, et le propane (C3H8),
l'hydrogène (H2) est un gaz inflammable. Il sert d'ailleurs
de combustible depuis plus d'un siècle. Au 19ème siècle
et dans la première moitié du 20ème siècle,
on utilisait pour l'éclairage et le chauffage le "gaz de houille",
obtenu à partir du charbon et contenant environ 50% d'hydrogène
et 25% de méthane. Aujourd'hui, sous forme liquéfiée,
l'hydrogène propulse la navette spatiale et la plupart des fusées.
Mais il est surtout employé dans l'industrie chimique pour le raffinement
du pétrole ou dans le traitement.
De plus en plus de recherches et d'essais visent aussi à utiliser
l'hydrogène comme combustible pour le transport. L'utilisation
d'hydrogène dans un moteur à combustion interne ne nécessiterait
pas de grandes modifications.
2. Les piles à combustible
La seconde façon d'utiliser l'hydrogène, c'est en lui soutirant
son énergie dans une pile à combustible qui produit de l'électricité.
Dans une telle pile, une membrane poreuse sépare
deux régions, dont l'une contient de l'hydrogène gazeux
et l'autre de l'air. Chaque région comporte aussi une électrode
imprégnée de platine. Au contact du platine, l'hydrogène
se dissocie et les électrons laissés sur l'électrode
migrent dans le circuit entre les deux électrodes, engendrant un
courant électrique.
Ce sont de telles piles, beaucoup moins lourdes que des
batteries, qui produisent l'électricité dans la navette
spatiale. Les protons abandonnés par les électrons passent
à travers la membrane perméable et réagissent avec
l'oxygène de l'air, produisant de l'eau (dans la navette, cette
eau est consommée par les astronautes).
"L'avantage de ce système, c'est qu'environ
45% de l'énergie chimique contenue dans l'hydrogène est
convertie en électricité, ce qui est un excellent rendement.
À titre de comparaison, le rendement d'un moteur à combustion
interne ne dépasse pas 25%".
Un tel rendement compense l'énergie nécessitée
par la production de l'hydrogène. En plus de l'électricité,
la pile à combustible dégage de la chaleur, jusqu'à
35% de l'énergie initiale, qui peut être utilisée
pour le chauffage. Dans un véhicule, l'électricité
générée servirait à actionner un moteur électrique.
C'est ainsi que fonctionnent certains autobus électriques (Ballard).
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Mais les piles à hydrogène peuvent constituer
plus qu'une source d'électricité pour les véhicules ;
Elles pourraient servir de générateurs d'appoint, beaucoup
moins polluants que des génératrices diesel. Mais, surtout,
elles permettent d'envisager l'hydrogène comme moyen de stockage
d'énergie. Prenez un endroit isolé, non desservi par des
lignes électriques, où l'électricité est produite
par éolienne quand il y a du vent ou par une petite centrale thermique
quand l'air est calme. On pourrait obtenir de l'hydrogène par électrolyse,
à partir de l'eau, en utilisant l'énergie excédentaire
produite quand il y a du vent. Quand il n'y a pas de vent, l'hydrogène
stocké servirait à produire de l'électricité,
avec des piles à combustible. Le tout sans pollution ou presque.
Un tel système serait aussi utile à plusieurs pays en développement.
Pour en savoir plus :
L'hydrogène :
stockages
L'hydrogène fournit moins d'énergie que l'essence, à
volume égal, mais trois fois plus à poids égal. Même
liquide ou sous haute pression, il est moins dense que l'essence, donc
l'autonomie des véhicules reste limitée, à moins
d'installer de gros réservoirs.
De nombreuses recherches portent sur le stockage de l'hydrogène
et du gaz naturel. En effet, stocker l'hydrogène sous haute pression
est la solution la plus simple, mais nécessite des réservoirs
lourds, encombrants et coûteux. Les chercheurs tentent de contourner
ces difficultés en liant l'hydrogène au matériau
du réservoir, ce qui aurait aussi l'avantage de rendre le stockage
plus sécuritaire. Deux voies sont étudiées depuis
plusieurs années : le stockage par hydrures métalliques
ou par adsorption dans du charbon activé.
L'hydrogène :
enjeux et avenir
Il ne faut pas s'attendre à ce que les technologies basées
sur l'hydrogène se généralisent avant une vingtaine
d'années. Mais c'est tout de suite qu'il faut élargir les
recherches et développer les compétences. Pour le moment,
l'utilisation de l'hydrogène reste plusieurs fois plus coûteuse
que celle du pétrole. Ces coûts diminueront avec les progrès
technologiques. Mais, même si l'hydrogène demeure plus cher
que le pétrole, il n'y a pas que ce coût à considérer.
Il faut aussi tenir compte des pertes pour la société liées
à l'utilisation du pétrole, comme les maladies respiratoires
et la dégradation des matériaux causée par les pluies
acides...
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