Quelle est l'importance de l'hydrogène pour la

Quelle est l'importance de l'hydrogène pour la transition énergétique ?

‘L'hydrogène est la rock star des nouvelles énergies dans le monde’, a déclaré le commissaire européen Frans Timmermans lors de l'annonce de la stratégie européenne en matière d'hydrogène le 8 juillet 2020. Le déploiement très ambitieux de l'hydrogène devrait être un fer de lance important pour la reprise économique de l'Europe et la transition énergétique vers une économie neutre sur le plan climatique.

Comme le montre la figure ci-dessus, il existe de nombreuses sources et applications d'hydrogène. Il s'agit d'un élément chimique et d'un vecteur d'énergie. Il faut de l'énergie pour le fabriquer et il peut être converti en électricité et en chaleur. Le processus de production détermine la durabilité de l'hydrogène produit.

Semblable à une batterie

Avec de l'hydrogène et de l'oxygène (venant de l'air) on peut produire de l'électricité (courant continu) et de l'eau. Sans gaz à effet de serre ! A l’inverse, l'eau peut être décomposée à l’aide de courant continu en hydrogène et oxygène. Cette situation est similaire à celle d'une pile rechargeable : là aussi, des produits chimiques réagissent pour produire de l'électricité et, pendant la charge, la réaction chimique est inversée en alimentant la batterie en électricité. Une cellule est constituée de 2 électrodes séparées par un électrolyte. Un électrolyte est une matière qui laisse passer l'électricité sous forme de protons ou d'autres ions, mais pas sous forme d'électrons comme dans un conducteur (sinon un court-circuit se produirait immédiatement). Pour obtenir la puissance souhaitée, plusieurs cellules sont connectées en série et/ ou en parallèle. La différence avec une pile est que les produits chimiques qui provoquent la réaction ne sont pas piégés à l'intérieur de l'appareil, mais sont alimentés depuis l'extérieur. Deux dispositifs distincts peuvent donc être utilisés : une pile à combustible pour produire de l'électricité et un dispositif d'électrolyse pour produire de l'hydrogène. Une pile à combustible est alimenté par un réservoir d'hydrogène et l'eau qui se forme doit être évacuée. L'un des avantages est que

le ravitaillement en hydrogène est plus rapide que la recharge d'une batterie.

Connu depuis 1969

D'ailleurs, c'est une technologie connue depuis longtemps. Dès 1969, des piles à combustible ont fourni l'électricité à bord de la capsule Apollo avec laquelle les Américains se sont envolés vers la lune. L'eau était utilisée comme eau potable. Il existe des piles à combustible de 1 MW et plus. En même temps, elles sont toujours en plein développement et sont constamment améliorées.

Type et efficacité

Les piles à combustible et les électrolyseurs sont classés en fonction de l'électrolyte utilisé. Deux exemples : • Dans le programme Apollo et la navette spatiale, l'électrolyte était un liquide alcalin, d'où l'abréviation AFC (de l'anglais Alkaline Fuel Cell). • Les piles à combustible pour les voitures utilisent généralement une membrane qui permet le passage de protons, en abrégé PEMFC (Proton

Exchange Membrane Fuel Cell). L'électrolyse atteint un rendement de 80%, une pile à combustible 40 à 60% (selon le type et la charge). C'est beaucoup plus qu'un moteur à combustion interne (25%). L'énergie perdue est libérée sous forme de chaleur. Une pile à combustible peut donc être utilisée comme une cogénération (production combinée de chaleur et d'électricité). Dans un véhicule, la chaleur peut être utilisée pour chauffer l'habitacle en hiver.

La "couleur" de l'hydrogène

Aujourd'hui, plus de 95 % de tout l'hydrogène dans le monde est produit à partir de combustibles fossiles. Cela libère du CO2. C'est pourquoi on parle de ‘hydrogène gris’. Si le CO2 est capturé pour ne pas se retrouver dans l'atmosphère, il est appelé ‘hydrogène bleu’. Avec l'électrolyse, cela dépend de la façon dont l'électricité est produite. L'électricité renouvelable produit un ‘hydrogène vert’.

Il existe encore d’autres moyens de produire de l'hydrogène sans CO2, par exemple avec de l'électricité issue de l'énergie nucléaire ou par pyrolyse du méthane (qui ne produit pas de CO2, mais du carbone pur). L'hydrogène peut être un produit résiduel d'un processus chimique. Des panneaux solaires sont en cours de développement qui produisent directement de l'hydrogène. Certaines algues peuvent produire de l'hydrogène. Des miroirs solaires peuvent être utilisés pour générer de la chaleur à haute température, qui peut être utilisée pour produire de l'hydrogène.

Propriétés de l'hydrogène

L'hydrogène est un gaz incolore, inodore et non toxique. C'est l'élément le plus léger sur terre, 14 fois plus léger que l'air. S’il s'échappe à l'air libre, il disparaît rapidement. Dans un espace fermé, il s'accumulera au sommet. Un mélange d'hydrogène et d'air peut exploser si 4 à 75% du volume du mélange est pris par l'hydrogène. Une petite étincelle suffira. Mais un baril ou un tuyau contenant 100 % d'hydrogène ne peut pas exploser. Des tests ont été effectués dans lesquels une balle a été tirée à travers un baril d'hydrogène, sans qu'il n'explose. Les mesures de sécurité typiques sont une bonne ventilation combinée à un détecteur d'hydrogène, qui coupe l'alimentation en hydrogène dès que la concentration est par exemple de 0,4 % (10 % de la limite d'explosion).

1 kg d'hydrogène contient environ 3x plus d'énergie qu'un kg d'essence, mais comme l'hydrogène est si léger, 1000 litres d'hydrogène (à la pression atmosphérique) contiennent environ 3x moins d'énergie qu'un litre d'essence. L'hydrogène se liquéfie (à la pression atmosphérique) à -252,87°C. Un litre d'hydrogène liquide contient environ 4 fois moins d'énergie qu'un litre d'essence. Une fuite d'hydrogène liquide à l'air libre est plus dangereuse qu'une fuite d'hydrogène gazeux. L'hydrogène liquide s'évapore, mais en raison de la basse température, il est plus lourd que l'air et il reste sur place jusqu'à ce qu'il se soit réchauffé à la température ambiante.

Transport et stockage

L'hydrogène est largement utilisé dans l'industrie. Il est transporté dans des bouteilles de gaz en acier standard à 200 bars et par des pipelines. Il existe des conduites d'hydrogène entre Anvers et Rotterdam, le nord de la France et la région allemande de la Ruhr.

Pour l'utilisation dans les véhicules, des réservoirs légers ont été développés pour 350 et même 700 bars. Le stockage et le transport peuvent également se faire sous forme liquide ou dans des matériaux solides tels que les hydrures métalliques. Avec l'hydrogène liquide, en raison de la température extrêmement basse, il y aura toujours une certaine évaporation, mais celle-ci peut être collectée et conduite vers une pile à combustible.

Applications

Les industries chimique et métallurgique ont besoin de beaucoup d'hydrogène. Aujourd'hui, il est presque entièrement fabriqué à partir de combustibles fossiles. Dans le cadre de la transition énergétique, il doit devenir verte. L'hydrogène peut également être utilisé pour stocker les excédents d'électricité renouvelable. L'hydrogène peut être stocké pendant longtemps et peut donc être utilisé pour un stockage saisonnier, par exemple, pour lequel les batteries ne sont pas adaptées. Il peut également être utilisé pour le transport, principalement pour le transport lourd à longue distance et/ou pour les avions, pour lesquels les batteries sont moins adaptées. Comme mentionné plus haut, une pile à combustible produit également de la chaleur et peut donc être utilisée comme une cogénération.

L'efficacité du cycle complet de l'électrolyse et de la pile à combustible n'est que de 50 % environ. En revanche, une installation solaire dans le sud a un rendement deux fois plus élevé que chez nous. Il peut être intéressant d'y produire de l'électricité renouvelable. Il peut ensuite être transporté sous forme d'hydrogène, bien qu’il y a discussion si c'est la meilleure solution.

 William Stinissen