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Pour la voiture propre de demain, on envisage l'avènement d'une véritable "économie de l'hydrogène", car cet élément, inépuisable à l'échelle de la planète, peut devenir un vecteur énergétique aussi important que l'électricité.

  
DossiersPile à combustible - La fée hydrogène : l'énergie de demain ?
 

Production-Stockage-Distribution. Telle est la filière infrastructurelle qui doit être créée pour que fonctionne la nouvelle économie de l'hydrogène. Tout comme pour les piles à combustible, ce triple champ de recherche est un chantier prioritaire pour l'Europe de l'énergie.

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Comment produire l'hydrogène dont les piles à combustible (PaC)ont besoin pour fonctionner ? Dans un futur plus ou moins proche, deux larges avenues - l'électrolyse et le reformage des hydrocarbures(1) - sont plus directement disponibles. Les expertises industrielles acquises dans ces domaines demandent cependant des adaptations technologiques et commerciales à l'heure des piles à combustible.

L'œuf et la poule de l'électrolyse

A moyen et long termes, l'hypothèse idéale - car la plus écologique et donnant un hydrogène particulièrement pur - serait celle de l'électrolyse de l'eau. Techniquement, ce procédé est parfaitement maîtrisé et il est utilisé sans problème dans un certain nombre d'applications industrielles. Onéreuse, en raison de son coût et de la consommation d'électricité entraînée, l'électrolyse est cependant très rarement retenue pour obtenir des quantités importantes d'hydrogène.

Dans le cadre de l'économie de l'hydrogène, le recours à l'électrolyse rappelle le problème de l'œuf et de la poule. Il serait absurde de produire de l'hydrogène à des fins non polluantes en utilisant de l'électricité provenant de centrales thermiques qui le sont. Ce mode de production ne peut donc prendre son sens que s'il s'appuie sur une offre d'énergies renouvelables à des prix compétitifs. Or celles-ci se développent lentement et doivent encore prouver qu'elles peuvent répondre à une demande (future) pour l'alimentation du marché PaC. Ainsi deux unités-pilotes d'électrolyse alimentées par des générateurs éoliens sont actuellement développées, en Grèce et aux Canaries, dans le cadre du projet européen RES2H2. Il s'agit de démontrer en vraie grandeur une capacité fiable de production d'hydrogène. Ce test aura une valeur significative pour cette ressource dont le potentiel s'avère stratégique sur toute la façade maritime méridionale de l'Europe.

Le reformage, meilleur candidat immédiat

La voie la plus courante repose actuellement sur l'extraction de l'hydrogène des ressources fossiles, plus spécifiquement des hydrocarbures. Compte tenu de l'importance de ceux-ci dans toutes les filières de distribution de l'énergie, c'est ce dernier choix qui s'impose le plus clairement pour l'avènement à court et moyen terme des PaC.

L'opération se pratique surtout par diverses techniques de reformage. Le mélange du carburant (principalement le gaz naturel, ressource fossile la moins polluante) avec de la vapeur d'eau, en présence de catalyseurs appropriés et à haute température, donne de l'hydrogène et du dioxyde de carbone. Il existe aussi des procédés par oxydation. Cette production s'accompagne de différents modes de purification portant sur la désulfuration, l'élimination de la teneur en CO, etc.

Le reformage est principalement exploité à grande échelle pour les besoins de l'industrie chimique, en particulier pour la synthèse d'ammoniac qui représente actuellement près de la moitié de la demande mondiale en hydrogène. L'application de cette technologie à l'alimentation spécifique des piles à combustible pose donc avant tout un problème d'adaptation du processus à des dimensions nouvelles.

Il faut, en effet, concevoir des modes de reformage convenant à des centrales à PaC conçues pour satisfaire des besoins régionaux ou locaux. Le but étant de supprimer les émissions de gaz à effet de serre et autres dérivés polluants, un aspect important est la séquestration des rejets de CO2 et les opérations de purification de l'hydrogène produit par le gaz naturel (ou d'autres hydrocarbures comme le méthanol, le méthane, le naphta, etc.). Plus complexe encore est la mise au point de reformeurs de très petite taille, adjoints à des PaC et placés sur des véhicules qui seraient alors alimentés "à la pompe" par ces divers carburants.

Les promesses du végétal et du vivant

A un horizon plus lointain, le monde végétal, qui constitue un gigantesque réservoir d'énergie solaire captée par la photosynthèse, représente une source potentielle importante de production d'hydrogène. La gazéification de la biomasse permet, en effet, de produire des biocarburants. Si, au départ, la tendance est de les utiliser en tant que tels dans les moteurs à combustion interne, on peut également les reformer. Par voie thermochimique, la biomasse est, en outre, à même de fournir directement de l'hydrogène à l'état gazeux. Les champs de recherche sont donc larges et les perspectives demandent encore à être validées, que ce soit en terme de rendement, de qualité, de dimensionnement ou de coût. Ces perspectives interfèrent, d'autre part, avec le devenir des activités agricoles et forestières. Près d'une dizaine de projets européens du cinquième programme-cadre, pour lesquels l'Union finance 50% d'un investissement global de 23 millions €, sont lancés dans ce domaine.

Plus futuriste est sans doute cette autre voie de production biologique directe d'hydrogène à partir d'algues microscopiques ou de bactéries. Des recherches récentes montrent qu'au cours du processus photosynthétique de ces organismes, un complexe système enzymatique, connu sous le nom d'hydrogénase, peut favoriser la formation de molécules d'hydrogène dans certaines conditions. On se situe ici dans un domaine éminemment potentiel, dont la faisabilité et les applications concrètes restent encore floues.

Stockage du volume

Si l'hydrogène possède tous les atouts pour devenir un vecteur énergétique clé, il nécessite de surmonter deux obstacles susceptibles de freiner son utilisation. S'il est le plus léger des atomes existant, il est aussi le plus volumineux dans son état gazeux à température et à pression courantes. Sa capacité de libération d'énergie en fait, en outre, un gaz particulièrement inflammable(2). Résoudre la très complexe problématique de son stockage et de sa distribution dans des conditions requises de volume et de sécurité - et le coût de ces opérations - est donc un préalable à son utilisation. Autant que la mise au point des piles à combustible, ces aspects forment certainement le second "nœud" technologique conditionnant l'avènement de l'économie de l'hydrogène.

L'option du stockage solide de l'hydrogène dans des nouveaux matériaux métalliques ou carbonés est l'un des sujets clés pour l'avenir de cette filière énergétique. Dans la table périodique ci-dessus, ce sont des alliages à base des éléments les plus légers (en rouge) – en particulier des alliages de magnésium, nickel et lithium, des composés à base d'aluminium (alanates) et de bore (borohydride) – qui sont actuellement des candidats très étudiés. C'est à eux que s'intéressent les projets Fuchsia, Historhy et Hymosses dans le cinquième programmecadre et le projet intégré Storhy dans le sixième.© Rdt Info

Différentes "solutions" existent à l'heure actuelle, mais elles sont loin d'assurer des performances - technologiques ou économiques - satisfaisantes pour une généralisation de l'entreposage et de la circulation de ce précieux vecteur. Chacune de ces stratégies peut présenter des avantages spécifiques mais elle doit être évaluée en fonction de la consommation d'énergie qu'elle peut solliciter et - en particulier dans le cas des applications de transports - de l'augmentation de poids qu'elle entraîne.

Compression-liquéfaction

La forme de stockage la plus courante consiste à comprimer le gaz et à le confiner dans des réservoirs sécurisés. Les pressions utilisées vont de 350 à 700 bars. Ce processus, largement expérimenté dans les utilisations industrielles de l'hydrogène, nécessite une consommation d'énergie équivalente à 10% de son pouvoir calorifique (PCI). Le stockage peut se pratiquer dans des bouteilles de 10 litres et plus, et les réservoirs fixes de taille moyenne (stations de distribution) atteignent 10 000 m3. Des volumes beaucoup plus importants sont emmagasinés de façon souterraine.

Les enveloppes de confinement de l'hydrogène - qu'il s'agisse des tanks, des réservoirs ou encore des pipe-lines d'adduction - sont renforcées pour résister aux pressions. Elles doivent être constituées de métal résistant à la corrosion (tel l'aluminium renforcé par des fibres de carbone) et ne présentant aucune possibilité d'infiltration par les atomes très léger de l'hydrogène.

Plusieurs prototypes automobiles à PaC sont équipés de réservoirs à compression, mais la faible densité volumétrique de l'hydrogène ainsi stocké handicape leur autonomie. Des essais d'introduction de polymères visent à réduire leur poids pour les véhicules. La résistance aux chocs et les technologies d'adaptation des accessoires auxiliaires (valves, détendeurs, etc.) font également l'objet de recherches.

Pour contourner le handicap du volume du stockage et du danger d'inflammabilité de l'hydrogène, celui-ci peut également être liquéfié, mais cette transformation ne se réalise qu'à une température particulièrement basse - de moins 253°C -ou encore moyennant des pressions très élevées. De telles technologies cryogéniques sont courantes dans l'industrie(3), mais elles posent un coût réel en termes d'énergie (25 à 30% du PCI de l'hydrogène). Si le matériau des réservoirs n'a pas les mêmes contraintes de résistance, il doit par contre posséder des qualités d'isolation thermique (réservoirs à double paroi). Les prototypes BMW, Opel et DaimlerChrysler sont ainsi dotés de cette option par voie liquide. Des stations-services pilotes existent à Munich, en Allemagne.

Stockage solide, voie royale du futur

Par rapport à ces technologies, la voie la plus prometteuse, qui serait décisive pour l'essor des PaC dans le secteur des transports et des applications portables, semble bien celle du stockage solide. Certains nouveaux matériaux (composés d'alliages métalliques ou de nanotubes carbonés) ont la capacité d'absorber, à des températures courantes, des atomes d'hydrogène dans les espaces interstitiels de leur structure à base métallique. Dans des conditions catalytiques appropriées et moyennant un léger chauffage - de l'ordre de 80°C, qui pourrait être obtenu par la chaleur même émise par la pile à combustible -, un phénomène de désabsorption libère ensuite l'hydrogène et permettrait de l'utiliser comme combustible.

De très sérieux espoirs résident dans la mise au point de cette perspective technologique. "Le stockage solide apporte une solution aux questions de sécurité posées par la compression à l'état gazeux", souligne Jiri Muller, chercheur à l'Institutt for Energiteknikk (IFE) de Kjneller (NO), participant au projet StorHy. Doté d'un réacteur nucléaire permettant des analyses très fines du positionnement des atomes d'hydrogène dans une vaste gamme de complexes d'hydrures métalliques, cet organisme est au cœur de nombreux travaux européens menés dans ce domaine. "A volume égal, on pourrait arriver à des réservoirs ayant une capacité comparable à celle du stockage de l'hydrogène sous forme liquide. En outre, l'accès au réservoir, lorsque vous l'ouvrez pour le remplir, ne poserait pas de problème d'étanchéité. Le défi est aussi d'arriver à des solutions réunissant les performances optimales en termes de stabilité, de réversibilité aisée du stockage, de poids du réservoir et, bien entendu, de coût."

(1) Parallèlement au reformage, un autre mode de production d'hydrogène est la gazéification par combustion partielle de ressources fossiles (charbon et hydrocarbures lourds). Mais, à nouveau, ces technologies ne sont appliquées qu'à des échelles très importantes et entraînent de coûteuses opérations de purification. La recherche sur des dispositifs de faibles capacités ne permet pas d'entrevoir, pour l'instant, de perspectives rapprochées de faisabilité.
(2) Très volatil, l'hydrogène gazeux se disperse toutefois rapidement dans l'atmosphère - ce qui compense un peu sa dangerosité.
(3) Les leaders en Europe sont notamment Air Liquide (FR), Linde Gas (DE), Air Products (UK), etc.

Nucléaire, solaire thermique et hydrogène

N'émettant pas de CO2, les centrales nucléaires sont sur les rangs pour fournir l'électricité nécessaire à l'électrolyse de l'eau - en particulier pour leur production en heures creuses - au même titre que les énergies renouvelables. Cependant, l'hydrogène peut être aussi extrait de l'eau par une autre voie, dite thermochimique : à des températures supérieures à 1 000°C, la molécule d'eau peut se scinder par "craquage" sous l'effet de la chaleur.

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A cet égard, dans les projets actuels portant sur de futures centrales de quatrième génération à haute température, l'industrie nucléaire produirait à la fois de l'électricité et de la chaleur. L'application la plus souvent citée pour l'utilisation de cette dernière est le dessalement de l'eau de mer, mais cette ressource pourrait également entrer dans la filière de production d'hydrogène.

Installation européenne de captation d'énergie solaire thermique à la Plataforma solar d'Almeria (ES)© Rdt Info

Une autre voie intéressante de production intensive de chaleur est le secteur de l'énergie solaire thermique. Le projet européen Heliosol - composé de quatre partenaires grec, anglais, allemand et danois - étudie les procédés catalytiques complexes qui pourraient rendre cette approche intéressante.