l'hydrogène

LE BILAN DU PARLIAMENTARY OFFICE OF SCIENCE AND TECHNOLOGYL'idee selon laquelle l'hydrogene sera dans un futur proche a la base d'un systeme energetique a faible production de dioxyde de carbone est de plus en plus repandue. Alors que le terme "civilisation de l'hydrogene" fait son apparition, le Parliamentary Office of Science and Technology a realise une synthese sur les interets de l'hydrogene, les technologies de production, de stockage et d'utilisation ainsi que les aspects politiques de son developpement.
L'idee d'utiliser l'hydrogene pour produire de l'energie n'est pas neuve et son utilisation est courante dans l'industrie. Cependant il est aujourd'hui considere comme la "vedette energetique" du siecle qui debute.Ceci decoule des progres considerables realises dans le domaine des piles a combustible mais decoule aussi des recentes prises de position en politiques environnementale et energetique, plus concernees par lechangement climatique, la qualite de l'air, la pollution sonore et la securite d'approvisionnement en energie.
L'hydrogene est le gaz le plus leger et le plus simple de tous les elements gazeux. Il est aussi le troisieme element le plus present sur terre. Par contre, ce gaz ne peut pratiquement pas etre trouve seul dans l'atmosphere et est toujours jumele a un autre element. L'hydrogene doit donc necessairement etre fabrique pour etre exploite.
Il est primordial de savoir que l'hydrogene n'est pas une source, mais bien un vecteur d'energie qu'il faut produire et stocker pour que l'on puisse l'utiliserulterieurement. Deux problemes se posent donc : la production et le stockage.La production :
En Europe, 65 milliards de m3 d'hydrogene sont deja produits pour les besoins de la chimie et d'autres industries. L'hydrogene a l'avantage de pouvoir etre obtenu par divers procedes et a partir de differentes sources.
- Reformage d'un gaz volatil : aujourd'hui 96% de l'hydrogene produit et consomme dans le monde est obtenu par ce procede. Le methane est le plus utilise, les autres carburants engendrant des frais de production trop eleves. Lors du reformage, le carburant, melange a de la vapeur d'eau et a un catalyseur, est soumis a une temperature et une pression elevees pour obtenir de l'hydrogene et du dioxyde de carbone. Le gaz hydrocarbure peut aussi etre obtenu par la gazeification de la biomasse.
- Oxydation partielle : Cette reaction peut etre consideree comme une reaction de combustion incomplete. Le compose contenant de l'hydrogene reagit avec une quantite d'oxygene pour produire un melange d'hydrogene et de monoxyde de carbone. Cette solution est commercialement interessante pour les pays disposant de larges reserves de charbon.
- Electrolyse : dans ce cas on produit l'hydrogene grace a l'electricite. On utilise une source d'electricite, de preference non productrice de CO2 (hydroelectricite, energie eolienne, solaire ou nucleaire) pour dissocierles atomes d'hydrogene et celui d'oxygene qui forment la molecule d'eau.
- Methodes biologiques : certains microbes, algues et bacteries photosynthetiques produisent de l'hydrogene en transformant par un procede chimique, sous certaines conditions, l'energie solaire en hydrogene. Certaines methodes pourraient avoir un interet commercial mais la plupart sont encore au stade experimental.
- D'autres methodes sont a l'etude, entre autre la photoelectrolyse qui utilise une cellule solaire pour eclater l'eau directement, sans l'utilisation d'electricite.
Si l'utilisation de l'hydrogene n'est pas polluante, l'avantage antipollution perd de sa valeur et n'arrange en rien le probleme des ressources non renouvelables si l'on produit de l'hydrogene a partir de matieres epuisables et emettant du CO2. C'est le cas des methodes utilisant l'energie fossile comme energie primaire.
L'electrolyse est de loin plus rentable du point de vue environnemental puisqu'elle ne produit comme residu que de l'eau, cette technique serait tres benefique, toutefois seulement 1 % de l'hydrogene est actuellementproduit par l'electrolyse. Ce faible pourcentage est du au fait que pour realiser l'electrolyse de facon rentable, il faut de l'electricite bon marche ou rechercher de l'hydrogene a la purete tres elevee.Le stockage : Contrairement a l'electricite, difficile a stocker en large quantite, il existe differents moyens de stocker l'hydrogene. Le meilleur moyen de stocker l'hydrogene depend du volume a stocker, du volume disponible pourle stockage, du temps de stockage et de l'utilisation que l'on compte faire de cet hydrogene.
- Stockage sous forme comprimee: c'est l'un des plus utilise actuellement : la pression va de 200-350 a 700 bars. La compression necessite de l'energie, le reservoir est fait de metal tres resistant a la corrosion, souvent de l'aluminium renforce par des fibres en carbone (pour des raisons de poids). Pour reduire davantage le poids, on tente d'introduiredes polymeres dans la structure.Avantages: on beneficie de la maitrise de la technologie et de la rapidite du remplissage.Inconvenients: une faible densite volumetrique, la necessite de reservoirs resistants aux chocs et adaptes aux vehicules pour les applications automobiles, et surtout une technologie a ameliorer pour les hautespressions avec l'adaptation de tous les auxiliaires : valves, capteurs, detendeurs. - Stockage sous forme liquide (cryogenique) : dans cette methode, l'hydrogene est stocke sous forme liquide a -253°C. Le reservoir est en acier mais on tente d'utiliser des materiaux composites. On atteint desdensites energetiques de 22 MJ/kg (rapporte au reservoir).Avantages: le reservoir necessite peu de place mais son isolation peut-etre encombrante.Inconvenients: au vu de la faible temperature, les pertes thermiques sont inevitables, de meme que l'evaporation d'une partie de l'hydrogene(phenomene de boil off). Neanmoins, les progres techniques ont permis d'amener ce boil off a 1% d'evaporation/jour. Il faut aussi amener l'hydrogene a cette temperature et le liquefier, ce qui necessite del'energie. - Stockage chimique : Certains metaux ou alliages peuvent stocker des atomes d'hydrogene entre leurs atomes et creer des liaisons chimiques. Il existe deux classes d'hydrures: les hydrures haute et basse temperature.Le stockage s'effectue a haute pression avec apport de chaleur. Le destockage a lieu a basse pression avec evacuation de chaleur. Les densites energetiques sont faibles pour les hydrures basse temperature:1,5 MJ/kg; elles augmentent cependant pour les hydrures haute temperature: 4 MJ/kg (3,5% massique).Avantages: cette methode est sure et deja utilisee. Les pressions mises en jeu sont faibles. L'hydrogene obtenu est tres pur.Inconvenients: la densite energetique est encore limitee, ce qui donne des reservoirs trop lourds. De plus la cinetique de remplissage doit etre amelioree, a basse temperature.Le stockage de l'hydrogene dans du charbon actif est aussi possible. Plus recemment, on a decouvert des methodes de stockage dans des nanofibres et des nanotubes en carbone qui semblent beaucoup plus efficaces mais ces deux derniers mode de stockage sont encore a l'etat experimental. La distribution de l'hydrogene ne pose pas de reel probleme technique, il existe des moyens efficaces, que ce soit sous sa forme liquide ou gazeuse.L'utilisation :L'hydrogene peut-etre utilise pour fournir electricite et chaleur, que ce soit par combustion ou par un systeme de pile a combustible.Il en est de meme pour les transports ou il peut etre utilise comme combustible ou pour alimenter la pile a combustible d'un vehicule electrique.Securite :A l'instar des autres carburants l'hydrogene est inflammable et potentiellement dangereux s'il est mal utilise. Le plus grand danger est le risque d'explosion dans un espace confine, ce risque pouvant etre prevenu par des dispositifs de capteurs. En cas d'accident, un vehicule a hydrogene est tenu pour etre moins dangereux que son equivalent essence car l'hydrogene se dissipe tres rapidement et sa combustion degage peu dechaleur.De nombreux projets de par le monde visent a demontrer l'efficacite de l'utilisation de l'hydrogene. Au Royaume-Uni, des 2003, dans le cadre du projet europeen de transport propre, trois bus a pile a combustiblecirculeront dans Londres. Un projet de centre de loisir fonctionnant a l'hydrogene (produit par reformage du gaz naturel) devrait bientot voir le jour. A Cambridge, le Urban Solar Hydrogen Economy Realisation Projectutilisera l'electricite d'un generateur photovoltaique pour produire de l'hydrogene pour les bus. L' Icelande se lance aussi dans la production d'hydrogene a partir de sources renouvelables.Perspectives et scenarios :L'hydrogene peut etre produit par differentes methodes, ce qui permet une production plus distribuee. De nombreuses organisations pourraient devenir producteurs, creant ainsi une nouvelle economie. La securited'approvisionnement en serait amelioree et il deviendrait possible de s'affranchir de la forte dependance qui existe aujourd'hui vis a vis del'etranger.Differentes etudes presentent plusieurs scenarios et res! ultats. L'etude menee pour l'Energy Review, juge qu'il est necessaire de mettre en place une grosse infrastructure et que celle-ci est une barriere audeveloppement rapide de l'hydrogene. Elle n'envisage pas son utilisation a grande echelle avant 2050.Le Foresight, Fuelling the future (exercice cherchant a se projeter dans l'avenir), ne considere pas cette infrastructure comme necessaire et propose d'introduire l'hydrogene par ilot.Quelles que soit ces differences de point de vue, il est fortement probable que l'introduction de l'hydrogene se fasse dans le domaine des transports et, plus particulierement, a travers les entreprises possedantun grand parc de vehicules. L'etape suivante devra etre l'extension aux vehicules prives. L'utilisation de vehicules hybrides pourrait etre un moyen progressif d'introduire l'hydrogene et de standardiser lescomposants et moyens de distribution.Approche strategique et incitations :La transition vers une economie de l'hydrogene devrait etre encouragee par la prise de differentes mesures :- avoir des objectifs clairs- modifier la legislation (par exemple autoriser les livraisons effectuees par un vehicule a hydrogene la nuit...)- creer des standards et des normes : cela est indispensable afin d'assurer une large diffusion des technologies de production, de transport, de stockage et des nombreuses utilisations de l'hydrogene. Cesnormes representent en effet une garantie pour l'utilisateur en termes de qualite et de securite.- engager des mesures fiscales : pas de taxe sur l'hydrogene (dans un premier temps quelle que soit sa source de production, pour ensuite reduire cette exemption a l'hydrogene "propre") et pas de taxe sur les vehicules fonctionnant a l'hydrogene- financer differents projets (biomasse pour les agriculteurs, infrastructures pour les compagnies passant a l'hydrogene...)- lancer des commandes publiques (bus...)Au plan de la recherche, l'EPSRC est actuellement le principa! l investigateur financier mais il serait souhaitable de creer un programme specifique pour l'hydrogene. Une plus large participation a differents programmes de recherche en collaboration etroite avec les autres pays europeens est souhaitee.Une recente enquete aupres de l'opinion publique europeenne montre neanmoins qu'une image negative de l'hydrogene tend a se perpetuer. Elle confirme l'existence de barrieres psychologiques qui freinent ledeveloppement de l'utilisation de ce gaz, c'est pourquoi il est important de mettre des systemes de demonstration en place.Conclusion :De par ses qualites en matiere : de changement climatique, de qualite d'air, de pollution sonore, de disponibilite en ressource, l'interet de l'hydrogene est largement reconnu et admis comme vecteur d'energie pour le futur.Les technologies de l'hydrogene sont bien integrees dans l'industrie et l'extension de sa commercialisation pour les vehicules ainsi que son usage dans des stations generatrices devraient augmenter d'annee en annee.L'acces a un large public est peu probable avant 2015 car de nombreux problemes restent a resoudre : besoin de reduire les couts, de demontrer ses qualites et de developper les infrastructures.Neanmoins, un appel est lance pour obtenir plus de recherche, plus de projets mettant en pratique l'usage de l'hydrogene et une strategie claire pour permettre le futur developpement des infrastructures et du marche.