Découvert par Cavendish, l'"hydrogène" doit son nom au français Lavoisier.
Celui ci avait découvert qu'en approchant une bougie
allumée près d'une éprouvette, on provoquait
l'apparition d'une flamme et que la combustion de ce gaz provoquait la
formation d'eau sur les parois de l'éprouvette. Antoine Laurent
Lavoisier décida alors d'appeler ce gaz hydrogène, du
grec "hydro": eau et "gene" (producteur, créateur).
Antoine-Laurent Lavoisier
Bien qu'on le trouve en abondance dans l'univers, il n'existe pas à
l'état naturel: on le trouve plutôt lié à d'autres atomes (C, O), par exemple sous forme d'eau ou de
méthane (gaz naturel). Il est donc nécessaire de le produire soit à partir de l'électrolyse de l'eau, soit à partir
du reformage d'hydrocarbures ou encore par l'intermédiaire d'algues...
Le problème quand on aborde la question de l'hydrogène ou
plus généralement celle du/des carburants du futur est que l'on navigue entre un optimiste acharné et un pessimisme
farouche. De même que les piles à combustible, l'hydrogène fascine. Il est intéressant de regarder pourquoi:
- Abondance - du moins sous forme d'eau,
- Possibilité de résoudre les problèmes environnementaux (effet de serre) puisque brûler de l'hydrogène avec de l'oxygène ne produit pas autre chose que de l'eau,
- Réduction de la dépendance vis à vis des carburants fossiles et les réserves limitées de
ceux ci (dans la mesure où on ne produit pas l'hydrogène avec du gaz naturel..)
Il pourrait être la clef de l'utilisation des énergies renouvelables, en particulier l'énergie solaire
ou éolienne, en permettant le stockage de cette énergie
sous une forme chimique pour une utilisation ultérieure. L'hydrogène apparait comme un carburant "propre".
Déjà certains rêvent d'une
"Economie tout hydrogène", où l'hydrogène
remplacerait les carburants fossiles usuels et serait une source
majeure d'électricité. L'hydrogène a certes
déjà de
multiples applications: dans la pétrochimie, l'industrie
alimentaire, électronique et verrière,
l'aérospatiale, mais il est question de les étendre au transport ou à la production
d'électricité, l'alimentation des ordinateurs et autres PDA..
Mais un tel rêve est il vraiment fondé?
Une utilisition accrue de l'hydrogène suppose que de nombreuses questions soient résolues:
- celle de la production tout d'abord, puisque l'hydrogène est actuellement essentiellement produit par reformage du gaz naturel. Or les ressources en gaz naturel, certes
importantes, ne sont pas illimitées et l'utilisation du gaz naturel ne résoud en rien le problème d'émissions
de CO2.
- créer l'infrastructure inhérante: production, mais aussi transport, stockage, distribution... Il faut donc que les problèmes
techniques soient résolus et que cette solution soit économiquement et environnementalement viable.
Enfin, on est confronté à l'éternel problème de l'oeuf et de la poule.
Qui vient en premier: l'hydrogène ou les piles? La mise en place
et les investissements nécessaires pour l'hydrogène
imposent qu'il y ait un marché correspondant, et les piles
fonctionnent, elles, mieux avec l'hydrogène.
C'est dans tous les cas une
transition qui demandera du temps, des progrès technologiques,
une volonté politique de la part des dirigeants, un effort de la
part de l'industrie pétrolière et une acceptance de la
part des consommateurs. Dans tous les cas, il faudra que la ou les
technologies liées à l'hydrogène permettent des
gains en terme d'efficacité énergétique et
d'émissions de CO2.
Fin 2008: où en est on?
Au niveau politique, de nombreux accords de coopération, des programmes de recherche et des
engagements sont apparus, ainsi que des mesures visant à faciliter l'apparition des véhicules à hydrogène.
En Octobre 2007, la Commission européenne a adopté deux propositions visant à faciliter le développement des technologies hydrogène.
L'initiative technologique conjointe (ITC) pour les piles à combustible et l'hydrogène a été mise en place: il s'agit d'un programme intégré d'activités de recherche,
de développement technologique et de démonstration, mené en partenariat avec l'industrie. Ce programme doit êre mise en oeuvre sur 6 ans, basé sur un apport l'UE de 470 millions d'euros,
auquels s'ajoute un apport identique de l'industrie. L'ITC vise à accélérer le développement commercial de l'hydrogène au cours de la prochaine décennie.
De plus le Commission désire faciliter l'arrivée sur le marché des véhicules à hydrogène en simplifiant leur réception.
De fait, en Septembre 2008, le Parlement Européen a voté un règlement établissant des normes européennes pour l'homologation
des véhicules à hydrogène. Ceci permettra de faciliter le développement de ces voitures tout en donnant un cadre plus
précis aux fabricants.
Aux Etats Unis, le Président Bush avait annoncé en 2003 un programme de 1.3 milliards de dollars pour développer la recherche autour des technologies liées à l'hydrogène. Le projet géré par le DOE a un budget d'environ 200 millions par an depuis.
Certains états sont plus avancés que d'autres, notamment la Californie où les projets se multiplient.
Les engagements et le support vis à vis de
l'hydrogène varient d'un pays à l'autre en fonction des conclusions de ces études; aussi ce sont
aussi les décisions
individuelles qui marquent, comme celles de l'Islande de se tourner
vers l'hydrogène, de la Norvège, qui a lancé en
2004 le projet de rendre une île indépendante du point de
vue
énergétique en produisant de l'hydrogène par
hydrolyse avec de l'électricité produite par des
éoliennes. De même le Danemark commence à envisager
de fabriquer de l'hydrogène à partir d'éoliennes.
Des pas ont été franchis dans les applications, en particulier automobiles.
En 2008, Honda a prévu de louer à des particuliers 200 véhicules à hydrogène, la FCX Clarity, en Californie et au Japon au cours des trois prochaines années. Ceux ci pourront utiliser des stations de Shell et d'autres compagnies.
Les progrès sont aussi fait en termes d'autonomie, un problème majeur vu le peu de stations services. La Chevy Sequel de GM a parcouru 480 km avec un seul plein en 2007.
Une trentaine de véhicules Ford sont en test auprès de professionnels depuis 2005 aux Etats Unis, mais aussi Canada et en Europe.
Les contrats initiallement de 3 ans pourraient bien être prolongés jusque 2010.
Des véhicules f-cell de Daimler Chrysler circulent en Europe et aux US. Depuis 2003, des
bus à hydrogène commencent à circuler dans les rues Européennes depuis 2003 avec la création de nombreuses stations d'hydrogène
en Europe: celle de Reykjavik a déjà été installée fin Avril 2003, suivie par celle de Barcelone, de
Hambourg, ainsi que d'autres aux Etats Unis (Washington, Californie) et Japon.
Véhicule F-cell de Daimlerchrysler
Pour juger des progrès ou de
l'attention portée à l'hydrogène, il est
intéressant de suivre les salons de l'automobile,
véritable vitrine en termes de recherche et de prototypes.
En 2007, BMW présenta la BMW Hydrogen 7, une limousine de luxe fonctionnant à la fois à l'essence
et à l'hydrogène. Volkswagen présenta la Space Up Hydrogen, un hybride batteries/hydrogène à Los Angeles.
Fiat a sorti un prototype, Panda Aria, avec une version GNV utilisant du gaz naturel dopé à l'hydrogène. Loin d'un véhicule purement hydrogène, mais sur la voie
de la baisse des émissions. Quelques concepts cars du type VAD.HO d'Italdesign ont aussi été présentés.
En 2005,
aux salons de Genève, Détroit ou Francfort, les
véhicules à hydrogène étaient encore
à l'honneur, même si les hybrides sont davantage à
la mode actuellement et leur volent largement la vedette. On a
néanmoins vu de nouveaux prototypes: Daimler a
présenté son véhicule Zero Emission basé sur une classe B (le remplaçant des véhicules f-cell) face au Sequel de General Motors avec une pile et une batterie Ion-Lithium, Ford la Focus C-Max avec un moteur thermique à hydrogène, Audi son A2 H2, Michelin le prototype Hy-Light, Mitsubishi son concept-car Nessie.
Au salon de l'automobile de Paris (Octobre 2004), BMW avait présenté le prototype H2R, doté d’un moteur thermique à hydrogène,
Peugeot un quad, le Quark
fonctionnant à l'hydrogène. C'était un pas de plus
après le précédent salon de l'automobile de Paris
(Octobre 2002), où de nombreux prototypes de véhicules
fonctionnant à l'hydrogène ont été
présentés : le Hy-wire de GM, le rouge véhicule pour pompiers H2O de PSA, et même un scooter et un vélo.
Le prototype H2O de PSA
Données générales sur l'hydrogène
L'hydrogène (en fait
dihydrogène) est un gaz inodore, incolore, très
léger (plus que l'air) et composé de deux atomes
d'hydrogène. Ses propriétés
générales figurent dans le tableau ci dessous.
Pouvoir énergétique
L'hydrogène possède un haut pouvoir énergétique gravimètrique:
120 MJ/kg comparé au pétrole (45 MJ/kg), au
méthanol (20 MJ/kg) et au gaz naturel (50 MJ/kg). Cependant
c'est aussi le gaz le plus léger (2,016g/mol H2), d'où un
faible pouvoir volumétrique: 10,8 MJ/m3 face au méthanol (16 MJ/m3), gaz naturel (39,77 MJ/m3).
Ceci pose un véritable problème de stockage et de
transport: que ce soit pour l'utilisation de l'hydrogène dans un
véhicule ou pour le transport en pipeline, en camion, c'est la
densité volumétrique qui importe. La densité
énergétique volumétrique de H2 n'est
intéressante qu'à l'état liquide ou
comprimé (700 bars).
Densité volumétrique de divers carburants
Aspects Sécuritaires
L'hydrogène réagit avec l'oxygène, libérant
de l'eau et de la chaleur (290 kJ/mol H2). Lors de la combustion de
l'hydrogène dans l'air, on n'a aucune formation de
dérivées carbonés, soufrés, cependant on a
formation de faibles quantités de NOx du fait de la
réaction de l'azote de l'air avec une partie de l'O2. Du fait de cette réaction, un des "problèmes" de l'hydrogène est le risque d'inflammabilité et d'explosivité.
A
cause de l'affaire Hindenburg (destruction du dirigeable Hindenburg en 1937), l'hydrogène jouit d'une mauvaise
réputation: les recherches ont cependant montré que cet
accident n'était pas dû à l'hydrogène mais
à l'inflammabilité de l'enveloppe du dirigeable.
La flamme est à peine visible à l'oeil nu - ce qui peut représenter un danger
pour les secours intervenant en cas d'incendie, sa température
est de 2300°C dans l'air.
L’hydrogène a un large domaine d’inflammabilitédans
l'air: 4 à 75% (contre de 5 à 15% pour le
méthane), ce qui augmente les risques pour un gaz riche en
hydrogène - par exemple près d'une fuite. Ces conditions
sont valables à températures et pression ambiantes, et
varient en fonction de la pression, de la température et de la
présence d'autres constituants inertes dans le mélange
gazeux.
L'énergie d’inflammation
est très faible (10 fois plus faible comparativement aux autres hydrocarbures): 0.02 mJ.
Dans certains cas de confinement, on peut assister à une explosion.
Il y a deux types d'explosions: la déflagration et la
détonation, on peut parfois assister à une transition de
la déflagration à la détonation.
Néanmoins, l'hydrogène a pour lui de se diffuser
très vite dans l'air: de ce fait, en cas de fuite,
l'hydrogène s'échappe vers le haut et sa concentration
diminue très rapidement, passant sous la Limite
Inférieure d'Inflammabilité; ceci représente un facteur de sécurité.
Enfin, en raison de sa faible densité, l'hydrogène aura
tendance à fuir par toutes les micro-ouvertures possibles.
Cet aspect
sécuritaire ne doit pas faire oublier que l'hydrogène est
utilisé depuis longtemps dans l'industrie, et qu'avant la
guerre, le gaz de ville en était composé à 60%. La
maîtrise des risques liés à l'hydrogène fait
depuis longtemps l'objet de recherches approfondies, notamment au
niveau des centrales nucléaires où de l'hydrogène
pourrait être produit lors d'un accident). Il s'agit d'abord de
réduire la possibilité d'accumulation d'hydrogène
dans le domaine d'inflammabilité; éventuellement de
réduire ce volume de gaz et enfin d'empêcher que
l'hydrogène passe à l'état de détonation. Des moyens de prévention existent comme:
- l'ajout d'un gaz inerte (type Azote, CO2)
- la recombinaison catalytique de l'hydrogène avec l'oxygène:
on utilise des "recombineurs" autocatalytiques passifs (passive
autocatalytic recombiners (PARs)) qui permettent la recombinaison
de l'hydrogène avec l'oxygène et créent avec la
chaleur de la réaction un flux convectif qui favorisent le
mélange et évitent d'atteindre des niveaux
d'inflammabilité
- l'inflammation délibérée de
l'hydrogène pour éviter l'augmentation de sa
concentration et le passage au niveau de détonation. Elle
est faite au moyen d'igniteurs qui déclenchent la
combustion du mélange inflammable mais seulement à des
niveaux de concentration près du seuil
d'inflammabilité, et dans des lieux où la flamme ne se
propagera pas à des lieux de concentration plus
élevés. Il existe des igniteurs à bougie, des
igniteurs à étincelle et des igniteurs catalytiques.
- la ventilation pour diluer la concentration d'hydrogène présent dans un milieu confiné
Avec des mesures de
sécurité adéquates,
l'hydrogène pourait être utlisé à grande
échelle. Il faudra naturellement les définir à
chaque étape: production, transport, stockage et distribution,
de façon à garantir son utilisation par le grand public.
Mais la législation correspondante est encore
à définir! Pour l'instant il n'existe pas de
législation adaptée à une consommation et
utilisation grand public de l'hydrogène.
Le projet Hysafe ("Safety of Hydrogen as an Energy Carrier"), subventionné par l'Union Européenne,
vise ainsi à créer un réseau comprenant 24
partenaires européens (+ un canadien), coordonnés par le
centre de recherche de Karlsruhe. Leur but est d'améliorer la
sûreté d'utilisation de
l'hydrogène: simulations de cas de fuite
d'hydrogène, limitation et de prévention des
dommages, standardisation des analyses de risques en cas
d'incendie ou d'explosion.
Propriétés de l'hydrogène
| Masse atomique |
1,0079 g/mol |
| Température de solidification |
14 K |
| Température d'ébullition |
20,3 K |
| Densité liquide à (20,3 K) |
70.79 kg/m3 |
| Densité gazeuse à (20,3 K) |
1.34 kg/Nm3 |
| Densité gazeuse à (273 K) |
0.08988 kg/Nm3 |
| PCI (Pouvoir calorifique inférieur) |
120 MJ/kg |
| PCS (Pouvoir calorifique supérieur) |
142 MJ/kg |
| Energie d'évaporation |
445 kJ/kg |
| Energie de liquéfaction |
14112 kJ/kg |
| Cp (20°C) |
14,3 kJ/kg K |
| Cv (20°C) |
10,3 kJ/kg K |
| Température d'auto inflammation dans l'air |
858 K |
| Température de flamme dans l'air |
2318 K |
| Limites d'inflammabilité dans l'air |
4-75 (%vol) |
| Limites de détonabilité dans l'air |
13-65 (%vol) |
| Energie d'inflammation |
0,020 mJ |
Généralités sur l'hydrogène
Production
La production de l'hydrogène représente 630 Milliards de Nm3 en 2007. Or la demande mondiale en énergie primaire était de plus de 11 milliards de tonnes équivalent pétrole en 2007 (128000 TWh),
demande d'énergie qui devrait augmenter de 55% selon les prévisionde l'AIE (2007).
La demande est dominée majoritairement par le pétrole et le
charbon suivis du gaz. Ce qui signifie que la production actuelle ne recouvrirait que
1,5% de la demande, il y a donc beaucoup à faire du
côté de la production pour que l'hydrogène atteigne
une part significative, surtout avec une demande
énergétique mondiale en pleine croissance.
L'hydrogène est produit par en majeure partie à partir du
reformage d'hydrocarbures. Les méthodes de production sont:
- vaporeformage (gaz naturel, naphta),
- oxydation partielle (naphta, charbon, hydrocarbures lourds..),
- électrolyse,
- co-produit dans la fabrication d'éthylène.
Les deux premières techniques correspondent à près
de 95% de la production totale.
De grands groupes sont spécialisés dans la production d'hydrogène: Air Liquide (avec Messer Griesheim), Air Products, Linde Gas, Mahler, Praxair, mais d'autres sociétés comme Shell Hydrogen, Norsk Hydro, GHW (constructeur d'électrolyseurs alcalins, joint venture de MTU, Norsk Hydro et HEW) s'impliquent également.
Utilisation
Si l'hydrogène joue un
rôle important dans l'industrie, il n'est presque pas
utilisé comme vecteur d'énergie (sauf pour les
fusées). Classiquement, il est utilisé surtout dans:
- l'industrie chimique et pétrochimique (synthèse d'ammoniac, de méthanol, production de colorants, d'eau oxygénée),
- l'industrie verrière,
- électronique (puces d'ordinateurs),
- alimentaire (corps gras insaturés),
- en métallurgie,
- dans la production de carburants à faible teneur en soufre.
C'est la production d'hydrogène en vue d'utilisation
énergétique qui semble avoir le plus d'avenir, que ce
soit avec les piles ou les moteurs à combustion interne. La
production d'ammoniac représente actuellement près de 50%
de la consommation d'hydrogène, suivie par les utilisations dans
la pétrochimie, et pour la synthèse de produits chimiques
(méthanol, amines, eau oxygénée). Mais dans ces
cas, les coûts liés à l'hydrogène sont
absorbés dans le coût de production des produits finis,
d'autant que celle ci est souvent centralisée sur un seul site.
Aucune considération énergétique n'entre en
compte.
