La Filière hydrogène, concept et technologies

La Filière hydrogène, concept et technologies 2

Les impératifs de protection de l’environnement entraînent la nécessité de décarboner l’industrie, c’est-à-dire réduire les émissions de CO2 de tous les secteurs industriels. Cette démarche passe par le développement des énergies renouvelables (solaire, éolien, etc.), mais aussi par le développement de la filière hydrogène.

Aussi, ABGI propose de se pencher sur cette dernière, puis détailler les nombreux concepts et technologies qu'elle englobe.

Qu’est-ce-que l’hydrogène ?

L’hydrogène (H) est un élément chimique. C’est, en effet, un atome composé d’un proton et d’un électron. C’est l’élément chimique le plus léger. Il est très abondant à la surface de la Terre, mais n’existe pas à l’état pur [1]. Il est associé à d’autres éléments chimiques, pour former des molécules,

  • comme les molécules d’eau (H2O),
  • ou encore, les hydrocarbures (molécules majoritairement composées de carbone C, et d’hydrogène H) [1].

La densité massique d’énergie de l’hydrogène (liquide ou comprimé) est de 143 MJ/kg [2]. En effet, cette valeur est particulièrement élevée par rapport à d’autres sources d’énergie.

Filière hydrogène

Figure 1 : Comparaison des densités massiques d’énergie de différentes sources d’énergie [2].

La forme de l’hydrogène la plus utile aux applications énergétiques est la molécule de dihydrogène H2. Elle est à l’état gazeux aux conditions de température ambiante et de pression atmosphérique. Aussi, il est nécessaire de transformer les molécules contenant naturellement de l’hydrogène en gaz dihydrogène exploitable [4]. C’est pour cela qu’on appelle le dihydrogène un vecteur d’énergie et non une source d’énergie.

Une source d’énergie est un matériau extrait et utilisé « directement ». Le charbon est une source d'énergie par exemple. En revanche, pour utiliser du dihydrogène, il faut déjà le produire.

La production d’hydrogène

Il existe différents concepts permettant de produire du dihydrogène.

À partir d’hydrocarbures fossiles

Le concept le plus utilisé pour produire du dihydrogène à partir d’hydrocarbures fossiles est le reformage à la vapeur, aussi appelé vaporeformage. Il s’agit de faire réagir un hydrocarbure ou un gaz naturel avec de la vapeur d’eau en présence d’un catalyseur [4][5]. Il faut donc apporter de l’énergie à la réaction en la chauffant (entre 750 et 1000°C).

La réaction de reformage impliquant le méthane se passe comme suit :

CH4 (g) + H2O + chaleur → CO + 3H2 [5]

Le monoxyde de carbone (CO) généré est ensuite converti en hydrogène et dioxyde de carbone (CO2) en utilisant la vapeur d’eau récupérée de la première réaction. Cette conversion suit la réaction suivante :

CO + H2O → H2 + CO2 [5]

On appelle cette réaction, une réaction du gaz à l’eau.

À partir de la décomposition de l’eau

Une autre méthode de production consiste à « dissocier les atomes de dioxygène (O2) et de dihydrogène de l’eau ». La réaction devient alors :

H2O → H2 + ½ O2 [5]

Cette méthode de décomposition est l’électrolyse. Celle-ci permet ainsi la décomposition de l’eau sous l’influence d’un courant électrique. La Figure 2 présente le fonctionnement général d’un système d’électrolyse.

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Figure 2 : Fonctionnement général de l’électrolyse [6].

Un courant électrique continu est appliqué entre les deux électrodes. Cela met en mouvement les électrons entre la borne négative d’alimentation et la cathode. Ces électrons réagissent avec les ions hydrogénure H+ et forment ainsi de l’hydrogène (H2). Cette réaction chimique s'appelle réduction. Parallèlement, les ions hydroxyde (OH-) perdent un électron et deviennent du dioxygène (O2). Ces électrons rejoignent ensuite la borne positive de l’alimentation [6].

Ou aussi, des méthodes alternatives

L’utilisation de la biomasse est aussi une voie de production. La biomasse désigne la matière organique (la matière fabriquée par les êtres vivants) à la surface terrestre (les végétaux, les résidus de culture, les déchets organiques, etc.) [1].

Cette biomasse peut subir ce que l’on appelle une gazéification. Elle est chauffée en présence d’une faible quantité d’oxygène, à des températures comprises entre 900 et 1200°C. Ceci permet la formation d’un gaz majoritairement composé de monoxyde carbone (CO) et de dihydrogène (H2) [7].

L’empreinte écologique de l’hydrogène

Comme expliqué auparavant, l’impact environnemental de la production d’hydrogène se situe au niveau des voies de production. Cet impact dépend

  • de l’énergie utilisée lors de la production,
  • mais aussi de la qualité et de la quantité de gaz rejetée lors de la production.

Une classification de l’hydrogène a été proposée sur la base de sa propreté environnementale [8]:

  • Tout d'abord, l’hydrogène vert ou renouvelable : produit par électrolyse de l’eau à partir d’électricité provenant d’énergie renouvelable.
  • Puis, l’hydrogène gris ou fossile : produit grâce à des sources d’énergies fossiles (hydrocarbures, gaz naturel).
  • Ou, l’hydrogène bleu ou bas-carbone : produit de la même manière que l’hydrogène fossile. Le CO2 généré lors de la production est réutilisé ou stocké.
  • Et enfin, l’hydrogène jaune ou bas-carbone (aussi) : produit par électrolyse avec de l’électricité provenant du nucléaire.

Les perspectives de production et d’utilisation de l’hydrogène

L'hydrogène et la chimie

L’hydrogène est actuellement déjà utilisé dans le domaine de la chimie. Il est utilisé dans la synthèse de l’ammoniac ou du méthane. Il est aussi utilisé dans le raffinage des hydrocarbures [3][8].

Les batteries primaires et secondaires

Un grand enjeu de l’utilisation de l’hydrogène est la pile à combustible (PaC). La structure et le fonctionnement d’une PaC ressemble beaucoup à celui des batteries primaires ou secondaires que nous connaissons déjà (respectivement les piles non rechargeables et rechargeables).

Dans une batterie, les réactifs consommés sont contenus dans l’enceinte de la batterie et sont consommés

  • définitivement dans le cas d’une batterie primaire (pile non rechargeable),
  • ou peuvent être régénérés lors de la recharge pour une batterie secondaire (pile rechargeable).

Dans une PaC, les réactifs sont fournis à la cellule. Théoriquement, une PaC peut fonctionner indéfiniment, tant que les réactifs sont fournis [9].

La Figure 3 est une illustration d’une cellule, l’unité fonctionnelle la plus petite d’une PaC.
Les électrodes sont faites d’un matériau poreux recouvert d’un catalyseur. Le dihydrogène est amené jusqu’à l’anode, où il subit une oxydation. Cela génère deux ions hydrogénure H+ et 2 électrons. Les ions hydrogénure migrent à travers l’électrolyte jusqu’à la cathode, où ils réagissent avec du dioxygène (présent naturellement dans l’air). Cela génère de l’eau et de la chaleur. Les électrons libérés lors de l’oxydation ne peuvent pas traverser l’électrolyte et sont obligés d’emprunter un circuit extérieur jusqu’à la cathode. C’est un courant électrique [10].

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Figure 4 : Fonctionnement schématique d’une PaC fonctionnant à l’hydrogène [10].

Le dihydrogène

Aussi, on distingue différents types de cellules selon le type d’électrolyte utilisé :

  • PEFC : polymer electrolyte fuel cell.
  • PEMFC : polymer electrolyte membrane fuel cell.
  • AFC : alkaline fuel cell.

L’utilisation, à plus grande échelle du dihydrogène, nécessite la mise en place d’une infrastructure de transport et de stockage de celui-ci. Il reste ainsi :

  • à améliorer les rendements des méthodes de production,
  • puis, à optimiser le stockage et le transport,
  • et enfin, à optimiser aussi aussi les différentes technologies de PaC (compacité, rendement énergétique, résistance à l’usure, etc.) [11].

"Le dihydrogène possède une grande densité massique d’énergie, mais une densité volumique très faible". L’exploitation du dihydrogène est plus efficace lorsqu’il est dense. Il faut donc,

  • soit le comprimer (compression à 700 bar),
  • soit le liquéfier [2][8].

La liquéfaction du dihydrogène a lieu à -253°C, ce qui demande de fournir de l’énergie.

Hydrogène et Innovation

De nombreuses entreprises innovent sur cette filière de pointe. Nous souhaitons mettre en exergue quelques projets innovants.

L’entreprise Ergosup, créée en 2010, développe un « procédé innovant et breveté de production directe d’hydrogène par électrolyse à très haute pression et de stockage » [14][15]. Cette solution permet de produire du dihydrogène déjà comprimé. Aussi, elle a reçu le prix du Concours Mondial de l’Innovation en 2014,2015 et 2017. Puis, en 2019, le Prix de l’Innovation au CES.

On peut aussi citer le projet Membrasenz, soutenu par l’appel à projets H2020. Son but était le développement de membranes en matériau composite permettant de séparer l’hydrogène d’un mélange gazeux lors de la production [16].

Enfin, la production de "bioH2", ou production par voie biologique est aussi une voie qui fait l’objet de travaux de recherche [17]. "La souche C. cellulolyticum identifiée comme l’une des meilleures productrices de dihydrogène ne croit que sur des sources de carbone onéreuses. Il faudrait obtenir une souche ayant un fort rendement et utilisant des sources de carbone plus économiques". Enfin, la valorisation des déchets organiques est aussi une piste investiguée [18].

Conclusion

L’enjeu environnemental et économique est stratégique. Aussi, le gouvernement français a mis en place un plan Hydrogène dès 2018. Puis, à partir de 2020, une "Stratégie Nationale pour le développement de l’hydrogène décarboné en France" [12]. Enfin, plus récemment, le plan d’investissement France 2030, initié en octobre 2021, soutient aussi le développement de la filière hydrogène [13].

 

Laure-Patricia BALEP
Rédactrice scientifique


Bibliographie

[1] L’hydrogène. CEA (Découvrir & Comprendre).

[2] Mazloomi, K., & Gomes, C. (2012). Hydrogen as an energy carrier : Prospects and challenges. Renewable and Sustainable Energy Reviews16(5), 3024-3033.

[3] Ministère de la Transition Écologique. (2018, juin). Plan de déploiement de l’hydrogène.

[4] Assemblée Nationale - Kalinowski, L., & Pastor, J.-M. (2013, décembre). L’hydrogène : vecteur de la transition énergétique ?

[5] Puis, Academic Press - Kayfeci, M., Keçebaş, A., & Bayat, M. (2019). Hydrogen production. In Solar hydrogen production(pp. 45-83).

[6] Ou encore, Zeng, K., & Zhang, D. (2010). Recent progress in alkaline water electrolysis for hydrogen production and applications. Progress in energy and combustion science36(3), 307-326.

[7] Ademe (2021, août 30). Les principes de la pyrolyse et gazéification – Ademe.

[8] IFPEN - Tout savoir sur l’hydrogène.

[9] National Energy Technology Laboratory (2004, novembre 01). Seventh Edition Fuel Cell Handbook. United States.

[10] Sharaf, O. Z., & Orhan, M. F. (2014). An overview of fuel cell technology: Fundamentals and applications. Renewable and sustainable energy reviews32, 810-853.

[11] CEA (2013). L’hydrogène, un vecteur d’énergie.

[12] Ministère de la Transition Écologique. (2020). Stratégie nationale pour le développement de l’hydrogène décarboné en France.

[13] Ministère de la Transition Écologique. (2021, 14 octobre). « France 2030 » : cap sur la transition écologique.

[14] BPI (2019, 18 février). Ergosup lève 11 millions d’euros pour le déploiement de ses infrastructures de production et de stockage d’hydrogène vert.

[15] Institut National de la Propriété Industrielle - E., Guillet, F., & Bizouard, V. (2019). Procédé électrochimique de production d’hydrogène gazeux sous pression puis par dépolarisation (FR3079529A1)

[16] CORDIS (2018). Une technologie innovante de membrane à hydrogène.

[17] ANR, Agence nationale de la recherche.  - Production d’hydrogène à rendement et productivité élevés à partir de biomasse.

[18] IRD (2021, 1 mars). BIOTEC H2 : Production de biohydrogène par des procédés biotechnologiques.

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