À propos de l’hydrogène énergétique de nouvelle génération

Nous introduirons « l’hydrogène », la prochaine génération d’énergie neutre en carbone. L’hydrogène est divisé en trois types : « l’hydrogène vert », « l’hydrogène bleu » et « l’hydrogène gris », chacun ayant un mode de production différent. Nous expliquerons également chaque méthode de fabrication, les propriétés physiques des éléments, les méthodes de stockage/transport et les méthodes d'utilisation. Et je présenterai également pourquoi il s’agit de la source d’énergie dominante de la prochaine génération.

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

Lorsqu’on utilise de l’hydrogène, il est important de « produire de l’hydrogène » de toute façon. Le moyen le plus simple est « d’électrolyser l’eau ». Peut-être que vous l'avez fait en sciences à l'école primaire. Remplissez le bécher avec de l'eau et les électrodes dans l'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 néanmoins aux expériences scientifiques scolaires, mais pour produire de l’hydrogène de manière industrielle, il faut préparer des mécanismes efficaces adaptés à une production à grande échelle. C’est « l’électrolyse à membrane électrolytique polymère (PEM) ».
Dans cette méthode, une membrane semi-perméable polymère qui permet le passage des ions hydrogène est prise en sandwich entre une anode et une cathode. Lorsque de l'eau est versée dans l'anode de l'appareil, les ions hydrogène produits par électrolyse traversent une membrane semi-perméable jusqu'à la cathode, où ils deviennent de l'hydrogène moléculaire. En revanche, les ions oxygène ne peuvent pas traverser la membrane semi-perméable et devenir des molécules d'oxygène à l'anode.
Également dans l'électrolyse de l'eau alcaline, vous créez de l'hydrogène et de l'oxygène en séparant l'anode et la cathode à travers un séparateur à travers lequel seuls les ions hydroxyde peuvent passer. Il existe également des méthodes industrielles telles que l’électrolyse à la vapeur à haute température.
En réalisant ces processus à grande échelle, de grandes quantités d’hydrogène peuvent être obtenues. Ce processus produit également une quantité importante d’oxygène (la moitié du volume d’hydrogène produit), de sorte qu’il n’aurait aucun impact négatif sur l’environnement s’il était rejeté dans l’atmosphère. Cependant, l’électrolyse nécessite beaucoup d’électricité, donc de l’hydrogène sans carbone peut être produit s’il est produit avec de l’électricité qui n’utilise 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.

Il existe également un générateur d’hydrogène permettant de produire à grande échelle cet hydrogène vert. En utilisant du PEM dans la section électrolyseur, de l’hydrogène peut être produit en continu.

Hydrogène bleu fabriqué à partir de combustibles fossiles

Alors, quelles sont les autres façons de produire de l’hydrogène ? L'hydrogène existe dans les combustibles fossiles tels que le gaz naturel et le charbon en tant que substances autres que l'eau. Prenons par exemple le méthane (CH4), le principal composant du gaz naturel. Il y a ici quatre atomes d’hydrogène. Vous pouvez obtenir de l'hydrogène en retirant cet hydrogène.
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 constater, le monoxyde de carbone et l’hydrogène peuvent être extraits d’une seule molécule de méthane.
De cette manière, l’hydrogène peut être produit grâce à des procédés tels que le « reformage à la vapeur » et la « pyrolyse » du gaz naturel et du charbon. « L’hydrogène bleu » fait référence à l’hydrogène ainsi produit.
Dans ce cas, cependant, du monoxyde de carbone et du dioxyde de carbone sont produits comme sous-produits. Il faut donc les recycler avant qu’ils ne soient rejetés dans l’atmosphère. Le dioxyde de carbone sous-produit, 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 grand 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 avec des neutrons attachés au noyau. Un « deutérium » lié à des neutrons et deux « tritium » liés à des neutrons. Ce sont également des matériaux pour la production d’énergie par fusion.
À l’intérieur d’une étoile comme le soleil, se produit la fusion nucléaire de l’hydrogène en hélium, qui est la source d’énergie permettant à l’étoile de briller.
Cependant, l’hydrogène existe rarement sous forme de gaz sur Terre. L'hydrogène forme des composés avec d'autres éléments tels que l'eau, le méthane, l'ammoniac et l'éthanol. Puisque l’hydrogène est un élément léger, à mesure que la température augmente, la vitesse de déplacement des molécules d’hydrogène augmente et s’échappe de la gravité terrestre vers l’espace.

Comment utiliser l’hydrogène ? Utilisation par combustion

Alors, comment est utilisé « l’hydrogène », qui a attiré l’attention du monde entier 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 « burn ».
Il existe deux principaux types de combustion utilisés.
Le premier est utilisé comme carburant pour fusée. La fusée japonaise H-IIA utilise de l'hydrogène gazeux, de l'« hydrogène liquide » et de l'« oxygène liquide », qui sont également à l'état cryogénique comme carburant. Ces deux éléments sont combinés et l’énergie thermique générée à ce moment-là accélère l’injection des molécules d’eau générées, volant dans l’espace. Cependant, comme il s'agit d'un moteur techniquement difficile, à l'exception du Japon, seuls les États-Unis, l'Europe, la Russie, la Chine et l'Inde ont réussi à combiner ce carburant.
Le deuxième est la production d’électricité. La production d’électricité par turbine à gaz utilise également la méthode consistant à combiner l’hydrogène et l’oxygène pour produire de l’énergie. En d’autres termes, c’est une méthode qui s’intéresse à l’énergie thermique produite par l’hydrogène. Dans les centrales thermiques, la chaleur provenant de la combustion du charbon, du pétrole et du gaz naturel produit de la vapeur qui entraîne les turbines. Si l’hydrogène est utilisé comme source de chaleur, la centrale électrique sera neutre en carbone.

Comment utiliser l’hydrogène ? Utilisé comme pile à combustible

Une autre façon d’utiliser l’hydrogène consiste à utiliser une pile à combustible, qui convertit l’hydrogène directement en électricité. En particulier, Toyota a attiré l'attention au Japon en vantant les véhicules fonctionnant à l'hydrogène plutôt que les véhicules électriques (VE) comme alternative aux véhicules à essence dans le cadre de ses mesures de lutte contre le réchauffement climatique.
Concrètement, nous faisons la démarche inverse lorsque nous introduisons le mode 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 il peut être évalué car il n'impose pas de charge sur l'environnement. D'un autre côté, cette méthode a un rendement de production d'énergie relativement faible, de 30 à 40 %, et nécessite du platine comme catalyseur, ce qui entraîne des coûts accrus.
Actuellement, nous utilisons des piles à combustible à électrolyte polymère (PEFC) et des piles à combustible à acide phosphorique (PAFC). En particulier, les véhicules à pile à combustible utilisent le PEFC, on peut donc s'attendre à ce que ce phénomène se répande à l'avenir.

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

Nous pensons désormais que vous comprenez comment l’hydrogène gazeux est produit et utilisé. Alors comment stocker cet hydrogène ? Comment l’amener là où vous en avez besoin ? Qu'en est-il de la sécurité à ce moment-là ? Nous vous expliquerons.
En fait, l’hydrogène est aussi un élément très dangereux. Au début du 20e siècle, nous utilisions l’hydrogène 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, « l’explosion du dirigeable Hindenburg » s’est produite.
Depuis l’accident, il est largement reconnu que l’hydrogène gazeux est dangereux. Surtout quand il prend feu, il explosera violemment avec de l'oxygène. Par conséquent, « conserver à l’écart de l’oxygène » ou « conserver à l’écart de la chaleur » est essentiel.
Après avoir pris ces mesures, nous avons mis au point un mode d'expédition.
L'hydrogène est un gaz à température ambiante, donc même s'il est encore un gaz, il est très volumineux. La première méthode consiste à appliquer une haute pression et à comprimer comme un cylindre lors de la préparation de boissons gazeuses. Préparez un réservoir haute pression spécial et stockez-le dans des conditions de haute pression telles que 45 MPa.
Toyota, qui développe des véhicules à pile à combustible (FCV), développe un réservoir d'hydrogène haute pression en résine pouvant résister à une pression de 70 MPa.
Une autre méthode consiste à refroidir jusqu'à -253°C pour produire de l'hydrogène liquide, puis à le stocker et à le transporter dans des réservoirs spéciaux isolés thermiquement. Comme le GNL (gaz naturel liquéfié) lorsque le gaz naturel est importé de l’étranger, l’hydrogène est liquéfié lors du transport, réduisant son volume à 1/800 de son état gazeux. En 2020, nous avons achevé 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. Il s’agit d’une astuce de développement développée aux États-Unis dans les années 1960. JJ Reilly et coll. Des expériences ont montré que l'hydrogène peut être stocké et libéré à l'aide d'un alliage de magnésium et de vanadium.
Après cela, il a réussi à développer une substance telle que le palladium, capable d’absorber l’hydrogène 935 fois son propre volume.
L’avantage de l’utilisation de cet alliage est qu’il permet d’éviter les accidents de fuite d’hydrogène (principalement les accidents d’explosion). Il peut donc être stocké et transporté en toute sécurité. Cependant, si vous ne faites pas attention et laissez-le dans le mauvais environnement, les alliages de stockage d’hydrogène peuvent libérer de l’hydrogène au fil du temps. Eh bien, même une petite étincelle peut provoquer une explosion, alors soyez prudent.
Il présente également l'inconvénient que l'absorption et la désorption répétées de l'hydrogène conduisent à une fragilisation et réduisent le taux d'absorption de l'hydrogène.
L’autre consiste à utiliser des tuyaux. Il existe une condition selon laquelle il doit être non comprimé et à basse pression pour éviter la fragilisation des conduites, mais l'avantage est que les conduites de gaz existantes peuvent être utilisées. Tokyo Gas a réalisé des travaux de construction sur le FLAG Harumi, en utilisant des gazoducs de ville pour alimenter en hydrogène les piles à combustible.

La société future créée par l’énergie hydrogène

Enfin, réfléchissons au 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 introduit des systèmes tels que ENE-FARM, qui utilisent l'hydrogène obtenu par reformage du gaz naturel pour produire l'électricité nécessaire. Cependant, la question de savoir que faire des sous-produits du processus de réforme demeure.

À l’avenir, si la circulation de l’hydrogène elle-même augmente, par exemple en augmentant le nombre de stations de ravitaillement en hydrogène, il sera possible d’utiliser l’électricité sans émettre de dioxyde de carbone. L’électricité produit bien sûr de l’hydrogène vert, elle utilise donc l’électricité produite par le soleil ou le vent. La puissance utilisée pour l’électrolyse doit être la puissance nécessaire pour supprimer la quantité d’énergie produite ou pour charger la batterie rechargeable lorsqu’il existe un excédent de puissance provenant de l’énergie naturelle. Autrement dit, l’hydrogène est dans la même position que la batterie rechargeable. Si cela se produit, il sera possible à terme de réduire la production d’énergie 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 fait, l’hydrogène est toujours un sous-produit de la production de soude caustique. Il s’agit entre autres d’un sous-produit de la production de coke dans la sidérurgie. Si vous mettez cet hydrogène dans la distribution, vous pourrez obtenir plusieurs sources. L’hydrogène gazeux ainsi produit est également fourni par les stations à hydrogène.

Regardons plus loin dans le futur. La quantité d’énergie perdue est également un problème lié à la méthode de transmission qui utilise des fils pour fournir de l’énergie. Ainsi, à l’avenir, nous utiliserons l’hydrogène livré par les pipelines, tout comme les réservoirs d’acide carbonique utilisés dans la fabrication de boissons gazeuses, et achèterons un réservoir d’hydrogène à la maison pour produire de l’électricité pour chaque foyer. Les appareils mobiles fonctionnant avec des batteries à hydrogène deviennent monnaie courante. Ce sera intéressant de voir un tel avenir.