Dihydrogène - Définition

Techniques de production

Production par électrolyse de l'eau

La production d'hydrogène par électrolyse de l'eau consiste à dissocier la molécule d'eau (H₂O) en molécules d'hydrogène et d'oxygène, en faisant passer un courant électrique dans l'eau.

Production par réaction chimique à partir d'eau

La production d'hydrogène peut également être obtenue par réaction chimique en mettant en contact de l'eau, de la soude et de l'aluminium. D'autres formules chimiques existent permettant d'extraire l'hydrogène de l'eau.

Production par reformage d'hydrocarbures

Ce procédé catalytique est utilisé dans l'industrie (essentiellement à partir de gaz naturel) et dans certains projets de pile à combustible. Les résidus carbonés produits peuvent poser également des problèmes de pollution.

Le procédé est surtout basé sur la réaction de vaporeformage décrite ci-dessus. L'oxydation partielle, éventuellement couplée à la réaction de vaporeformage (dans ce cas, on parle de reformage autotherme), présente l'avantage d'être exothermique pour la plupart des hydrocarbures.

La production embarquée d'hydrogène par reformage d'hydrocarbures (véhicules pile à combustible, par exemple) est particulièrement contraignante en termes d'encombrement, poids, coût, temps de réponse, sensibilité au soufre contenue dans les carburants, ... L'application doit présenter les mêmes caractéristiques en termes de sécurité, fiabilité et facilité d'utilisation que les véhicules à combustion interne. Des technologies catalytiques, ou plus novatrices telles que les reformeurs plasma, sont actuellement à l'étude.

Production par photosynthèse (cyanobactéries)

Certaines bactéries peuvent décomposer chimiquement l'eau en oxygène et hydrogène à l'aide de réactions photosynthétiques. Ceci permettrait de produire de l'hydrogène à l'aide d'énergie solaire. Des recherches sont en cours dans ce domaine, notamment en termes de génie génétique.

L'hydrogène comme vecteur d'énergie

L'hydrogène est régulièrement cité comme vecteur énergétique d'avenir. Il est important de préciser qu'il ne s'agit pas d'une source primaire d'énergie mais seulement d'un mode de stockage, un peu comme une batterie. L'impact écologique de son utilisation dépend donc complètement de son mode de production, qui est nécessairement consommateur de matière première et d'énergie, et générateur de pollution et de gaz à effet de serre.

Actuellement seulement 1 % de la production d’hydrogène est utilisée comme vecteur énergétique, uniquement dans le cadre des applications spatiales.

L'hydrogène pourrait être utilisé comme vecteur énergétique avec des applications telles que la pile à combustible ou le moteur à hydrogène. Il est souvent cité comme alternative aux moteurs à combustion interne "traditionnels", en raison notamment de son caractère "propre", son utilisation ne rejetant théoriquement que de la vapeur d'eau.

Claude Mandil, directeur exécutif de l'Agence internationale de l'énergie, estime ainsi que l'hydrogène devra « jouer un rôle crucial » dans l'économie mondiale. De nombreuses expériences ont été menées dans le domaine des véhicules propres. Chrysler-BMW possède une flotte de voitures (moteurs thermiques) roulant à l'hydrogène H, sans pile à combustible, avec réservoir cryogénique. Plusieurs pays européens subventionnent des programmes d'utilisation d'hydrogène dans les transports en commun.

Cependant ces applications se heurtent à plusieurs difficultés :

• Production : le dihydrogène n'existe qu'en très faible quantité sur Terre (voir plus haut). Pour cette raison, il est nécessaire de le produire, à partir d'eau (par électrolyse) ou de chaînes hydrogénées telles que les alcools, le gaz naturel ou les carburants commerciaux (par reformage). Ces procédés sont développés dans l'article production d'hydrogène.

• Volume de stockage : le dihydrogène est le carburant dont l'énergie massique de combustion est la plus importante (120 MJ/kg), mais comme l'atome d'hydrogène est également l'élément le plus léger, son énergie volumique de combustion est relativement faible. Pour cette raison, il est nécessaire de disposer d'un volume conséquent pour alimenter par exemple un moteur à hydrogène. Ce problème est particulièrement important dans le cas d'un véhicule, où l'espace disponible est limité. Pour limiter le volume du réservoir, il est nécessaire de comprimer fortement le dihydrogène, cette compression est elle aussi consommatrice d'énergie.

• Distribution : pour envisager l'utilisation à grande échelle de véhicules équipés de moteur à hydrogène il sera nécessaire de mettre en place un réseau de distribution d'hydrogène au moins aussi dense que celui existant actuellement pour les carburants "classiques" (stations service). Cependant, il est possible d'utiliser les infrastructures existantes pour les combustibles fossiles :il ne s'agit donc pas d'un effort comparable au développement des filières de distribution du pétrole, qui a demandé plusieurs dizaines d'années. Le coût du déploiement d'un système complet de distribution pourrait demander de 10 à 15 milliards de dollars pour les seuls États-Unis, ce qui ne représente que 0,1 % du PIB des États-Unis.

• Rejets : le mythe d'un moteur ne rejetant que de l'eau est très attractif mais malheureusement erroné car trop simpliste. Pour ne rejeter que de l'eau, il faudrait que la combustion se fasse à l'oxygène et non à l'air qui contient près de 80 % d'azote. Une combustion à l'air produit des oxydes d'azote.

• Coût des piles à combustible : elles sont dotées de mousse de platine, très onéreuse. D'autre part, la sécurité de ces piles sur une longue durée n'est pas assurée.

De nouveaux procédés apportent des éléments de réponse. Ainsi la technique de captation et de séquestration du carbone permettrait de compenser l'émission de gaz à effet de serre lors de la production d'hydrogène, mais à un coût important : si la fabrication d'hydrogène (transport non compris) est évaluée à 120 USD le baril en utilisant du gaz naturel, il faut compter le double si on choisit le charbon et une technique de captation/séquestration. Une autre solution serait d'utiliser les réacteurs nucléaires spécifiques de génération IV, à très haute température grâce à l'utilisation d'hélium comme fluide caloporteur, capables de produire de l'hydrogène à partir de l'eau. Ces réacteurs ne seront disponibles qu'à partir de 2030 ou 2040 et le coût de leur futur démantèlement n'est pas encore précisément connu. À partir de là, puiser dans l'électricité standardisée et disponible partout se révèle une solution plus simple et plus efficace, qui ne demande qu'un faible investissement, mais non écologique.

L'utilisation d'hydrogène constitue donc un espoir considérable pour le stockage et le transport de l'énergie, mais reporte la difficulté sur d'autres formes d'énergie. Cette technologie ne sera donc pas utilisable à grande échelle avant plusieurs dizaines d'années.