À propos de l'hydrogène énergétique de nouvelle génération

Nous présenterons l'hydrogène, la prochaine génération d'énergie neutre en carbone. L'hydrogène se divise en trois types : « hydrogène vert », « hydrogène bleu » et « hydrogène gris », chacun ayant une méthode de production différente. Nous expliquerons également chaque méthode de fabrication, les propriétés physiques des éléments, les méthodes de stockage/transport et les modes d'utilisation. J'expliquerai également pourquoi il s'agit de la source d'énergie dominante de prochaine génération.

Électrolyse de l'eau pour produire de l'hydrogène vert

Lorsqu'on utilise de l'hydrogène, il est important de « produire » de toute façon. Le plus simple est d'« électrolyser l'eau ». Vous l'avez peut-être fait en cours de sciences à l'école primaire. Remplissez le bécher d'eau et les électrodes d'eau. Lorsqu'une batterie est connectée aux électrodes et mise sous tension, les réactions suivantes se produisent dans l'eau et dans chaque électrode.
À la cathode, H+ et les électrons se combinent pour produire de l'hydrogène gazeux, tandis que l'anode produit de l'oxygène. Cette approche convient parfaitement aux expériences scientifiques scolaires, mais pour produire de l'hydrogène industriellement, il est nécessaire de mettre au point des mécanismes efficaces et adaptés à une production à grande échelle. Il s'agit de l'électrolyse par membrane électrolyte polymère (PEM).
Dans cette méthode, une membrane polymère semi-perméable, permettant le passage des ions hydrogène, est intercalée entre une anode et une cathode. Lorsque de l'eau est versée dans l'anode du dispositif, les ions hydrogène produits par électrolyse traversent la membrane semi-perméable jusqu'à la cathode, où ils se transforment en hydrogène moléculaire. En revanche, les ions oxygène ne peuvent pas traverser la membrane semi-perméable et se transforment en molécules d'oxygène à l'anode.
L'électrolyse alcaline de l'eau produit également de l'hydrogène et de l'oxygène en séparant l'anode et la cathode à travers un séparateur que seuls les ions hydroxyde peuvent traverser. Il existe également des méthodes industrielles comme l'électrolyse à la vapeur à haute température.
En réalisant ces procédés à grande échelle, de grandes quantités d'hydrogène peuvent être obtenues. Ce procédé produit également une quantité importante d'oxygène (la moitié du volume d'hydrogène produit), de sorte qu'un rejet dans l'atmosphère n'aurait aucun impact environnemental négatif. Cependant, l'électrolyse nécessite beaucoup d'électricité ; il est donc possible de produire de l'hydrogène décarboné à partir d'une électricité n'utilisant pas de combustibles fossiles, comme les éoliennes et les panneaux solaires.
Vous pouvez obtenir de « l’hydrogène vert » en électrolysant l’eau à l’aide d’une énergie propre.

Un générateur d'hydrogène permet également la production à grande échelle de cet hydrogène vert. L'utilisation de la technologie PEM dans l'électrolyseur permet de produire de l'hydrogène en continu.

Hydrogène bleu fabriqué à partir de combustibles fossiles

Alors, quelles sont les autres façons de produire de l'hydrogène ? L'hydrogène est présent dans les combustibles fossiles comme le gaz naturel et le charbon, sous forme de substances autres que l'eau. Prenons par exemple le méthane (CH4), principal composant du gaz naturel. Il contient quatre atomes d'hydrogène. On peut obtenir de l'hydrogène en l'extrayant.
L'un d'eux est un procédé appelé « reformage du méthane à la vapeur », qui utilise de la vapeur. La formule chimique de cette méthode est la suivante :
Comme vous pouvez le voir, le monoxyde de carbone et l’hydrogène peuvent être extraits d’une seule molécule de méthane.
De cette façon, l'hydrogène peut être produit par des procédés tels que le reformage à la vapeur et la pyrolyse du gaz naturel et du charbon. L'« hydrogène bleu » désigne l'hydrogène ainsi produit.
Dans ce cas, cependant, le monoxyde de carbone et le dioxyde de carbone sont des sous-produits. Il faut donc les recycler avant leur rejet dans l'atmosphère. Le dioxyde de carbone, s'il n'est pas récupéré, devient de l'hydrogène gazeux, appelé « hydrogène gris ».

Quel type d’élément est l’hydrogène ?

L'hydrogène a un numéro atomique de 1 et est le premier élément du tableau périodique.
Le nombre d'atomes est le plus élevé de l'univers, représentant environ 90 % de tous les éléments de l'univers. Le plus petit atome composé d'un proton et d'un électron est l'atome d'hydrogène.
L'hydrogène possède deux isotopes liés à son noyau par des neutrons : le deutérium et le tritium. Ces isotopes sont également utilisés pour la production d'énergie par fusion.
À l’intérieur d’une étoile comme le soleil, la fusion nucléaire de l’hydrogène à l’hélium a lieu, ce qui constitue la source d’énergie permettant à l’étoile de briller.
Cependant, l'hydrogène existe rarement sous forme gazeuse sur Terre. Il forme des composés avec d'autres éléments tels que l'eau, le méthane, l'ammoniac et l'éthanol. L'hydrogène étant un élément léger, à mesure que la température augmente, la vitesse de déplacement des molécules d'hydrogène augmente et elles échappent à la gravité terrestre vers l'espace.

Comment utiliser l'hydrogène ? Utilisation par combustion

Alors, comment utilise-t-on l'hydrogène, qui a suscité un intérêt mondial en tant que source d'énergie de nouvelle génération ? Il est utilisé de deux manières principales : la « combustion » et la « pile à combustible ». Commençons par l'utilisation de « brûler ».
Il existe deux principaux types de combustion utilisés.
Le premier est le carburant pour fusée. La fusée japonaise H-IIA utilise comme carburant de l'hydrogène gazeux (hydrogène liquide) et de l'oxygène liquide, également à l'état cryogénique. Ces deux gaz sont combinés, et l'énergie thermique générée accélère l'injection des molécules d'eau générées, qui s'envolent dans l'espace. Cependant, en raison de la complexité technique de ce moteur, seuls les États-Unis, l'Europe, la Russie, la Chine et l'Inde, à l'exception du Japon, ont réussi à combiner ce carburant.
La deuxième est la production d'électricité. La production d'électricité par turbine à gaz utilise également la combinaison de l'hydrogène et de l'oxygène pour produire de l'énergie. Autrement dit, cette méthode exploite l'énergie thermique produite par l'hydrogène. Dans les centrales thermiques, la chaleur issue de la combustion du charbon, du pétrole et du gaz naturel produit de la vapeur qui alimente les turbines. Si l'hydrogène est utilisé comme source de chaleur, la centrale sera neutre en carbone.

Comment utiliser l'hydrogène ? Utilisé comme pile à combustible

Une autre façon d'utiliser l'hydrogène est la pile à combustible, qui le convertit directement en électricité. Toyota, notamment, a attiré l'attention au Japon en vantant les mérites des véhicules à hydrogène, en remplacement des véhicules électriques (VE), comme alternative aux véhicules à essence dans le cadre de ses mesures de lutte contre le réchauffement climatique.
Plus précisément, nous procédons à l'inverse lorsque nous introduisons la méthode de fabrication de « l'hydrogène vert ». La formule chimique est la suivante :
L'hydrogène peut produire de l'eau (eau chaude ou vapeur) tout en produisant de l'électricité, et sa valorisation est intéressante car elle respecte l'environnement. En revanche, cette méthode présente un rendement énergétique relativement faible, de 30 à 40 %, et nécessite du platine comme catalyseur, ce qui engendre des coûts plus élevés.
Actuellement, nous utilisons des piles à combustible à électrolyte polymère (PEFC) et des piles à combustible à acide phosphorique (PAFC). Les véhicules à pile à combustible utilisent notamment la PEFC, ce qui devrait se généraliser à l'avenir.

Le stockage et le transport de l’hydrogène sont-ils sûrs ?

Vous comprenez désormais comment l'hydrogène gazeux est produit et utilisé. Comment le stocker ? Comment l'acheminer là où vous en avez besoin ? Et la sécurité à ce moment-là ? Nous vous l'expliquons.
En réalité, l'hydrogène est également un élément très dangereux. Au début du XXe siècle, on l'utilisait comme gaz pour faire flotter des ballons, des ballons et des dirigeables dans le ciel, car il était très léger. Cependant, le 6 mai 1937, dans le New Jersey, aux États-Unis, se produisit l'« explosion du dirigeable Hindenburg ».
Depuis l'accident, la dangerosité de l'hydrogène gazeux est largement reconnue. En cas d'incendie, il explose violemment en présence d'oxygène. Il est donc essentiel de le tenir à l'écart de l'oxygène ou de la chaleur.
Après avoir pris ces mesures, nous avons mis au point une méthode d’expédition.
L'hydrogène est un gaz à température ambiante. Même s'il reste gazeux, il est très volumineux. La première méthode consiste à appliquer une pression élevée et à le comprimer comme un cylindre pour la fabrication de boissons gazeuses. Préparez un réservoir haute pression spécial et stockez-le à une pression élevée, par exemple 45 Mpa.
Toyota, qui développe des véhicules à pile à combustible (FCV), développe un réservoir d'hydrogène haute pression en résine capable de résister à une pression de 70 MPa.
Une autre méthode consiste à refroidir l'hydrogène liquide jusqu'à -253 °C, puis à le stocker et le transporter dans des réservoirs spéciaux isolés thermiquement. À l'instar du GNL (gaz naturel liquéfié) importé de l'étranger, l'hydrogène est liquéfié pendant le transport, réduisant son volume à 1/800 de son état gazeux. En 2020, nous avons mis au point le premier transporteur d'hydrogène liquide au monde. Cependant, cette approche n'est pas adaptée aux véhicules à pile à combustible, car son refroidissement nécessite beaucoup d'énergie.
Il existe une méthode de stockage et d’expédition dans des réservoirs comme celui-ci, mais nous développons également d’autres méthodes de stockage de l’hydrogène.
La méthode de stockage consiste à utiliser des alliages de stockage d'hydrogène. L'hydrogène a la propriété de pénétrer les métaux et de les détériorer. Cette astuce a été développée aux États-Unis dans les années 1960. JJ Reilly et al. ont montré que l'hydrogène peut être stocké et libéré grâce à un alliage de magnésium et de vanadium.
Après cela, il a développé avec succès une substance, comme le palladium, qui peut absorber l’hydrogène 935 fois son propre volume.
L'avantage de cet alliage est qu'il permet d'éviter les accidents de fuite d'hydrogène (principalement les explosions). Il peut donc être stocké et transporté en toute sécurité. Cependant, si vous ne faites pas attention et que vous le laissez dans un environnement inapproprié, les alliages de stockage d'hydrogène peuvent libérer de l'hydrogène gazeux au fil du temps. Même une petite étincelle peut provoquer une explosion ; soyez donc prudent.
Il présente également l’inconvénient que l’absorption et la désorption répétées d’hydrogène entraînent une fragilisation et réduisent le taux d’absorption d’hydrogène.
L'autre solution consiste à utiliser des conduites. Celles-ci doivent être non comprimées et à basse pression pour éviter leur fragilisation, mais l'avantage réside dans la possibilité d'utiliser les conduites de gaz existantes. Tokyo Gas a réalisé les travaux de construction du FLAG Harumi, utilisant des gazoducs urbains pour alimenter en hydrogène les piles à combustible.

La société du futur créée par l'énergie de l'hydrogène

Enfin, considérons le rôle que l’hydrogène peut jouer dans la société.
Plus important encore, nous voulons promouvoir une société sans carbone, nous utilisons l’hydrogène pour produire de l’électricité plutôt que comme énergie thermique.
Au lieu de grandes centrales thermiques, certains ménages ont adopté des systèmes comme ENE-FARM, qui utilisent l'hydrogène obtenu par reformage du gaz naturel pour produire l'électricité nécessaire. Cependant, la question du devenir des sous-produits du reformage demeure.

À l'avenir, si la circulation de l'hydrogène s'accroît, notamment grâce à la multiplication des stations-service, il sera possible d'utiliser l'électricité sans émettre de dioxyde de carbone. L'électricité produit de l'hydrogène vert, bien sûr, grâce à l'énergie solaire ou éolienne. L'énergie utilisée pour l'électrolyse devrait permettre de réduire la production d'électricité ou de recharger la batterie rechargeable en cas de surplus d'énergie naturelle. Autrement dit, l'hydrogène occupe la même position que la batterie rechargeable. Si cela se produit, il sera à terme possible de réduire la production d'électricité thermique. Le jour où le moteur à combustion interne disparaîtra des voitures approche à grands pas.

L'hydrogène peut également être obtenu par une autre voie. En effet, l'hydrogène est toujours un sous-produit de la production de soude caustique. Il est également un sous-produit de la production de coke dans la sidérurgie. En distribuant cet hydrogène, on obtient de multiples sources. L'hydrogène gazeux ainsi produit est également fourni par des stations d'hydrogène.

Regardons plus loin dans l'avenir. La quantité d'énergie perdue est également un problème lié au mode de transport par câbles. Par conséquent, à l'avenir, nous utiliserons l'hydrogène acheminé par pipelines, à l'instar des réservoirs d'acide carbonique utilisés pour la fabrication de boissons gazeuses, et nous achèterons un réservoir d'hydrogène à domicile pour produire de l'électricité pour chaque foyer. Les appareils mobiles fonctionnant avec des batteries à hydrogène se généralisent. Il sera intéressant d'observer un tel avenir.