À propos de l'hydrogène énergétique de nouvelle génération

Nous allons vous présenter l'hydrogène, l'énergie de nouvelle génération, neutre en carbone. Il existe trois types d'hydrogène : l'hydrogène vert, l'hydrogène bleu et l'hydrogène gris, chacun ayant un procédé de production différent. Nous détaillerons ces procédés, les propriétés physiques de l'hydrogène, ses méthodes de stockage et de transport, ainsi que ses applications. Enfin, nous expliquerons pourquoi il représente la source d'énergie dominante de demain.

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

Lorsqu'on utilise l'hydrogène, il est important de le produire. La méthode la plus simple consiste à électrolyser l'eau. Vous l'avez peut-être déjà fait en cours de sciences à l'école primaire. Remplissez un bécher d'eau et placez-y des électrodes. Lorsqu'une pile est connectée aux électrodes et mise sous tension, les réactions suivantes se produisent dans l'eau et au niveau de chaque électrode.
À la cathode, les ions H+ et les électrons se combinent pour produire du dihydrogène, tandis qu'à l'anode, on obtient du dioxygène. Cette méthode convient parfaitement aux expériences scientifiques scolaires, mais pour produire du dihydrogène à l'échelle industrielle, il est nécessaire de mettre au point des mécanismes efficaces adaptés à une production à grande échelle. C'est le principe de l'électrolyse de l'eau à membrane échangeuse de protons (PEM).
Dans ce procédé, une membrane polymère semi-perméable, laissant passer les ions hydrogène, est intercalée entre une anode et une cathode. Lorsqu'on verse de l'eau dans l'anode, les ions hydrogène produits par électrolyse traversent la membrane semi-perméable pour atteindre la cathode, où ils se transforment en dihydrogène (H₂). En revanche, les ions oxygène ne peuvent pas traverser la membrane semi-perméable et se transforment en dioxygène (O₂) 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 par un séparateur perméable uniquement aux ions hydroxyde. Il existe par ailleurs des procédés industriels comme l'électrolyse de la vapeur d'eau à haute température.
En appliquant ces procédés à grande échelle, on peut obtenir de grandes quantités d'hydrogène. Ce procédé produit également une quantité importante d'oxygène (la moitié du volume d'hydrogène produit), ce qui signifie qu'il n'aurait aucun impact environnemental négatif en cas de rejet dans l'atmosphère. Cependant, l'électrolyse étant très énergivore, on peut produire de l'hydrogène décarboné si l'électricité est produite à partir de sources non fossiles, comme les éoliennes et les panneaux solaires.
On peut obtenir de l’« hydrogène vert » en électrolysant l’eau à l’aide d’énergie propre.

Il existe également un générateur d'hydrogène pour la production à grande échelle de cet hydrogène vert. Grâce à l'utilisation d'une membrane échangeuse de protons (PEM) dans l'électrolyseur, l'hydrogène peut être produit en continu.

L'hydrogène bleu produit à partir de combustibles fossiles

Alors, comment produire de l'hydrogène autrement ? 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 extrayant ces atomes.
L'un de ces procédés est le « reformage du méthane à la vapeur », qui utilise de la vapeur d'eau. 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.
L’hydrogène peut ainsi être produit par des procédés tels que le reformage à la vapeur et la pyrolyse du gaz naturel et du charbon. On parle alors d’« hydrogène bleu ».
Dans ce cas, le monoxyde de carbone et le dioxyde de carbone sont produits comme sous-produits. Il est donc nécessaire de les recycler avant leur rejet dans l'atmosphère. Le dioxyde de carbone, s'il n'est pas récupéré, se transforme en 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. Le plus petit atome, constitué d'un proton et d'un électron, est l'atome d'hydrogène.
L'hydrogène possède deux isotopes dont le noyau contient un neutron : le deutérium et le tritium. Ces deux 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 en hélium a lieu, et c'est la source d'énergie qui permet à l'étoile de briller.
Cependant, l'hydrogène existe rarement à l'état gazeux sur Terre. Il forme des composés avec d'autres éléments, comme l'eau, le méthane, l'ammoniac et l'éthanol. Étant un élément léger, lorsque la température augmente, la vitesse de déplacement des molécules d'hydrogène s'accroît et elles s'échappent de l'attraction 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 principalement de deux manières : par combustion et par pile à combustible. Commençons par la combustion.
On utilise deux principaux types de combustion.
Le premier cas concerne l'utilisation comme carburant pour fusées. La fusée japonaise H-IIA utilise de l'hydrogène gazeux (« hydrogène liquide ») et de l'« oxygène liquide », également à l'état cryogénique, comme carburant. La combinaison de ces deux éléments génère une énergie thermique qui accélère l'injection des molécules d'eau ainsi produites, propulsant le corps 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, outre le Japon, sont parvenus à combiner efficacement ces carburants.
La seconde méthode est la production d'électricité. La production d'électricité par turbines à gaz utilise également la combinaison d'hydrogène et d'oxygène pour générer de l'énergie. Autrement dit, il s'agit d'une méthode qui 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 actionne des 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 utilisation de l'hydrogène consiste à l'utiliser dans une pile à combustible, qui le convertit directement en électricité. Au Japon, Toyota s'est notamment fait remarquer en promouvant les véhicules à hydrogène comme alternative aux véhicules à essence, dans le cadre de sa stratégie de lutte contre le réchauffement climatique.
Plus précisément, nous procédons à l'inverse lorsque nous introduisons la méthode de fabrication de « l'hydrogène vert ». Sa formule chimique est la suivante.
L'hydrogène peut produire de l'eau (chaude ou vapeur) tout en générant de l'électricité, et cette méthode est intéressante car elle n'a pas d'impact négatif sur l'environnement. En revanche, son rendement énergétique est relativement faible (30 à 40 %) et elle nécessite du platine comme catalyseur, ce qui engendre des coûts supplémentaires.
Actuellement, nous utilisons des piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC) et des piles à combustible à acide phosphorique (PAFC). Les véhicules à pile à combustible, en particulier, utilisent des PEMFC, ce qui laisse présager une généralisation de cette technologie à l'avenir.

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

Nous pensons que vous comprenez maintenant comment l'hydrogène gazeux est produit et utilisé. Mais comment le stocker ? Comment l'acheminer là où vous en avez besoin ? Et qu'en est-il de la sécurité ? Nous allons vous l'expliquer.
En réalité, l'hydrogène est aussi un élément très dangereux. Au début du XXe siècle, on utilisait l'hydrogène comme gaz pour faire flotter 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, s'est produite l'explosion du dirigeable Hindenburg.
Depuis l'accident, il est largement reconnu que l'hydrogène est dangereux. En particulier, lorsqu'il s'enflamme, il explose violemment au contact de l'oxygène. Par conséquent, il est essentiel de le tenir éloigné de l'oxygène et de toute source de chaleur.
Après avoir pris ces mesures, nous avons mis au point une méthode d'expédition.
L'hydrogène est un gaz à température ambiante ; par conséquent, même s'il reste un gaz, il est très volumineux. La première méthode consiste à appliquer une haute pression et à le comprimer comme un cylindre lors de la fabrication de boissons gazeuses. Il faut alors se munir d'un réservoir haute pression spécial et le stocker sous une pression élevée, par exemple 45 MPa.
Toyota, qui développe des véhicules à pile à combustible (FCV), est en train de développer 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 à -253 °C pour le liquéfier, puis à le stocker et le transporter dans des réservoirs spéciaux à isolation thermique. À l'instar du GNL (gaz naturel liquéfié) lors de l'importation de gaz naturel, l'hydrogène est liquéfié pendant le transport, réduisant son volume à 1/800 de son volume à l'état gazeux. En 2020, nous avons achevé la construction du premier transporteur d'hydrogène liquide au monde. Toutefois, cette approche n'est pas adaptée aux véhicules à pile à combustible car elle nécessite une grande quantité d'énergie pour le refroidissement.
Il existe une méthode de stockage et de transport dans des réservoirs de ce type, 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 corroder. Cette piste de développement a été mise au point aux États-Unis dans les années 1960. Les expériences de JJ Reilly et al. ont démontré 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 935 fois son propre volume d'hydrogène.
L'avantage de cet alliage est qu'il prévient les fuites d'hydrogène (notamment les explosions). Il peut donc être stocké et transporté en toute sécurité. Cependant, un stockage inadéquat, notamment dans un environnement inapproprié, peut entraîner la libération progressive d'hydrogène gazeux. Or, même une petite étincelle peut provoquer une explosion ; la prudence est donc de mise.
Elle présente également l'inconvénient que les cycles répétés d'absorption et de désorption d'hydrogène entraînent une fragilisation et réduisent le taux d'absorption d'hydrogène.
L'autre solution consiste à utiliser des canalisations. Celles-ci doivent être non comprimées et à basse pression afin d'éviter leur fragilisation, mais l'avantage est qu'il est possible d'utiliser les canalisations de gaz existantes. Tokyo Gas a réalisé les travaux de construction du projet Harumi FLAG en utilisant le réseau de gaz de ville pour alimenter les piles à combustible en hydrogène.

La société future créée par l'énergie hydrogène

Enfin, examinons 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 au lieu de l'utiliser comme énergie thermique.
Au lieu de grandes centrales thermiques, certains ménages ont installé des systèmes comme ENE-FARM, qui utilisent l'hydrogène obtenu par reformage du gaz naturel pour produire l'électricité nécessaire. Cependant, la question du traitement des sous-produits de ce procédé de reformage reste posée.

À l'avenir, si la circulation de l'hydrogène s'intensifie, notamment par l'augmentation du nombre de stations de ravitaillement, il sera possible d'utiliser l'électricité sans émettre de dioxyde de carbone. L'électricité produite, bien entendu, de l'hydrogène vert, et donc de l'électricité d'origine solaire ou éolienne. L'énergie nécessaire à l'électrolyse devrait permettre de réduire la production d'électricité ou de recharger les batteries rechargeables en cas de surplus d'énergie renouvelable. En d'autres termes, l'hydrogène jouerait le même rôle qu'une batterie rechargeable. Si cela se concrétise, il sera à terme possible de réduire la production d'électricité à partir de sources thermiques. 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, il est un sous-produit de la production de soude caustique, ainsi que de la production de coke dans la sidérurgie. En le commercialisant, on peut l'approvisionner auprès de différentes sources. L'hydrogène ainsi produit est également distribué par les stations-service spécialisées.

Projetons-nous dans l'avenir. Les pertes d'énergie constituent un problème majeur avec le transport d'électricité par câbles. C'est pourquoi, à l'avenir, nous utiliserons l'hydrogène acheminé par pipeline, à l'instar des réservoirs d'acide carbonique utilisés pour la fabrication des boissons gazeuses, et chaque foyer pourra s'équiper d'une bonbonne d'hydrogène pour produire son propre électricité. Les appareils mobiles fonctionnant sur batteries à hydrogène se démocratisent. Un tel avenir s'annonce passionnant.