Hydrogène

Qu’est-ce que l’hydrogène ?

Qu’est ce que l’hydrogène ?

L’hydrogène est l’élément le plus abondant de l’Univers. C’est le principal composant des étoiles et des planètes gazeuses.
En général, l’hydrogène se trouve rarement à l’état pur, qui plus est sur terre. Il est généralement combiné avec d’autres atomes tels que l’oxygène dans l’eau (H2O) ou le carbone dans les hydrocarbures (CH4, C2H6, …).

On peut le trouver sous la forme gazeuse lorsque deux atomes d’hydrogène sont réunis – on parle alors de « dihydrogène » – et sous forme liquide lorsque le gaz a été refroidi à -252.87°C.

L’hydrogène est un élément naturel qui peut être extrait à partir d’autres molécules telles que l’eau. Par exemple à partir des énergies renouvelables par électrolyse ou à partir d’autres sources d’énergies, telles que le gaz naturel ou le pétrole, par reformage.

La production d’hydrogène par électrolyse de l’eau présente plusieurs intérêts écologiques car elle se fait sans émission de carbone et elle peut se faire localement.

Enfin, l’hydrogène n’est pas une énergie. C’est un vecteur énergétique, c’est-à-dire qu’il transporte de l’énergie qui peut être utilisée à posteriori. C’est une des réponses aux contraintes de stockage de l’énergie et à l’intermittence de la production renouvelable

Où trouve-t-on de l’hydrogène ? Comment en fabrique-t-on ?

Des débats scientifiques s’articulent autour de l’existence de sources naturelles d’hydrogène observée en Russie.
Actuellement l’hydrogène peut-être obtenu par 2 méthodes distinctes :

  • L’électrolyse: procédé qui sépare les atomes d’oxygènes et d’hydrogènes des molécules d’eau par l’intermédiaire d’un courant électrique.Cette méthode, est une des solutions pour un stockage massif des énergies renouvelables et intermittentes sans émission de carbone.
  • Le reformage: procédé de fabrication d’hydrogène à partir des gaz des d’hydrocarbures par élévation des températures entre 700°C et 1100°C. La méthode la plus courante est le vaporeformage, qui combine reformage du méthane avec de la vapeur d’eau.
    Le méthane (CH4) subit d’abord une étape d’hydrodésulfuration pour être purifié des molécules de souffre qu’il peut contenir. Il est ensuite combiné à de la vapeur d’eau (H2O) pour former  du dihydrogène(H2) et du monoxyde de carbone (CO), qui réagit une seconde fois avec la vapeur d’eau pour former du dioxyde de carbone (CO2).On peut résumer le vaporeformage par la réaction suivante :

CH4 + 2 H2O → CO + 3 H2 + H2O → CO2 + 4 H2

Quels sont les avantages de l’utilisation de l’hydrogène ?

La molécule H2 de dihydrogène (communément appelé hydrogène) est constituée de deux atomes d’hydrogène. Elle présente un fort intérêt énergétique qui peut être désormais exploité grâce à l’apport technologique et scientifique des activités de recherche :

  • La combustion d’hydrogène génère une forte quantité d’énergie (qui peut être exploitée pour produire de la chaleur ou de l’électricité) ;
  • L’hydrogène peut être produit par hydrolyse à partir d’énergies vertes et renouvelables (éolien, solaire, hydraulique, …) ce qui permet de réduire les émissions de gaz à effet de serre et de favoriser sa valorisation dans des boucles locales;
  • La combustion d’hydrogène est totalement décarbonée, ce qui en fait une alternative aux énergies fossiles fortement émettrices de CO2 ;
  • Les bouteilles d’hydrogène, peuvent se stocker très facilement et l’hydrogène constitue une solution efficace de stockage d’énergie.

Quels sont les progrès attendus pour sa démocratisation ?

Grâce aux avancées scientifiques et techniques de ces dernières années, la filière hydrogène se développe. La marge d’innovation reste néanmoins importante et de nombreux travaux de recherche sont engagés pour lever les verrous suivants :

  • La production d’hydrogène nécessite beaucoup d’énergie, notamment pour l’électrolyse qui permet la production d’hydrogène décarboné ;
  • Son stockage en grande quantité est difficile du fait de sa faible densité et nécessite une grande quantité d’énergie pour sa compression (bouteilles de gaz haute pression), sa liquéfaction ou pour son stockage de manière solide (hydrures métalliques) ;
  • Le coût du procédé de production décarboné est très élevé, et son utilisation par le grand public nécessite la mise en œuvre d’importants investissements ;
  • L’hydrogène est un gaz inflammable est nécessite des précautions lors de son stockage et de son utilisation.

La généralisation de l’utilisation d’hydrogène nécessite de travailler en amont sur la filière hydrogène afin d’améliorer les technologies pour augmenter les rendements et de positionner l’hydrogène comme complément des technologies existantes pour exploiter au mieux ses avantages.

L’hydrogène a-t-il sa place dans la transition énergétique ?

L’hydrogène a fait partie des technologies au cœur des débats lors de la COP 21 organisée à Paris en décembre 2015. L’hydrogène doit jouer un rôle important dans la transition énergétique en complément des énergies renouvelables.

Les énergies renouvelables étant intermittentes, elles produisent par moment plus d’énergies que le réseau ne peut en absorber, et à d’autres moments ne produisent pas assez d’énergie pour répondre aux sollicitations du réseau.

On observe ce phénomène avec les panneaux solaires photovoltaïques qui produisent un excédent énergétique entre 10h et 16h mais ne couvrent pas les besoins des foyers au réveil et en soirée.

L’hydrogène permet notamment de stocker les surplus d’énergie dus aux énergies intermittentes, il palie les contraintes liées à une production décentralisée et enfin son utilisation peut réduire considérablement les émissions de gaz à effet de serre.

L’hydrogène a donc un rôle pertinent à jouer dans la transition énergétique, cependant son exploitation industrielle nécessite encore de nombreux investissements.

Comment utiliser l’hydrogène ?

En tant que vecteur énergétique, l’hydrogène peut être converti en électricité, en chaleur ou énergie cinétique.

On peut l’utiliser :

  • Pour des applications stationnaires, à travers la production d’électricité et/ou de chaleur dans les bâtiments (principe de cogénération).
  • Pour des applications industrielles en utilisant l’hydrogène comme composé chimique
  • Pour des applications mobiles, en utilisant l’hydrogène comme force motrice.

La transformation de l’hydrogène en énergie nécessite un convertisseur d’énergie : la pile à hydrogène (ou pile à combustible).