Il est très fréquent d’entendre parler de pile à hydrogène, de voitures à hydrogène, de véhicule « propre », de mobilité hydrogène, de mobilité verte, d’hydrogène vecteur d’énergie, d’hydrogène gris ou vert…
Mais de quel hydrogène parle-t-on ?
Il s’agit de la molécule de dihydrogène, H2, gaz qui n'existe quasiment pas à l'état naturel sur Terre.
En effet, l’élément hydrogène, de symbole H, est très abondant sur la Terre mais seulement sous forme combinée :
- soit avec l’oxygène dans la molécule d’eau, H2O,
- soit avec le carbone dans les hydrocarbures, comme le gaz naturel ou méthane (CH4) ou le pétrole ; ce sont des mélanges de composés de formules générales CnHm
- ou encore dans les molécules du vivant.
Si l’on dispose de dihydrogène, il est possible de récupérer de l’énergie soit sous forme de chaleur via sa combustion directe avec le dioxygène (1) - c’est le cas des moteurs à hydrogène - , soit sous forme d’électricité via une pile à combustible (2) . Dans les deux cas la réaction globale ne produit que de l’eau selon :
2 H2 + O2 →2 H2O
Ainsi le dihydrogène est un vecteur d’énergie mais pas une source d'énergie car n'existant pas à l'état naturel, il faut préalablement le produire à partir d’eau ou d’hydrocarbures, ce qui nécessite d’abord une dépense d’énergie.
L’hydrogène gris ou comment créer du dihydrogène à partir des hydrocarbures
Le réformage (ou reforming) du gaz naturel (3) est actuellement la principale source de dihydrogène. Du méthane et de l’eau sont mis à réagir à haute température (nécessitant donc une consommation d’énergie). La réaction mise en jeu est :
CH4 + H2O = CO + 3H2 suivie de CO + H2O = CO2 + H2
On peut aussi faire le réformage des hydrocarbures liquides (pétrole) ou du charbon (4) .
En plus de la consommation d’hydrocarbures, on notera que pour faire 1 kg d’hydrogène par réformage, on émet de 6 à 10 kg de CO2.
L’hydrogène décarboné ou comment créer du dihydrogène par électrolyse de l’eau
L’apport d’énergie électrique via deux électrodes, plongées dans de l’eau en milieu basique (ou de l’eau acidifiée), reliées aux bornes d’un générateur de courant continu, permet la décomposition de l’eau et la création de dihydrogène, selon la réaction :
2 H2O → 2 H2 + O2
Dans quel cas cet hydrogène décarboné est-il « vert » ?
Tout dépend de la source d’électricité. Si elle provient d’une centrale à charbon, d’une centrale à fuel lourd ou au gaz, cet hydrogène reste gris ! Si la source d’électricité est elle-même décarbonée et renouvelable, courant électrique provenant de barrages hydrauliques, d’éoliennes ou de panneaux solaires, on parle d’hydrogène vert.
Le grand intérêt de cette électrolyse est de permettre le stockage de l’énergie sous forme de dihydrogène pour ces sources intermittentes d’énergie avant de récupérer ultérieurement l’énergie via sa combustion dans une pile à combustible ou dans un moteur. C’est en ce sens que l’hydrogène vert participera à la transition énergétique.
Toutefois il faut garder à l’esprit que chacun des rendements de l’électrolyse et de la pile à hydrogène sont inférieurs à 1 et que le stockage consomme aussi de l’énergie (5) .
Françoise Brénon et l'équipe Question du mois
(1) La combustion du dihydrogène
Sa combustion en présence d’oxygène génère de l’eau selon 2 H2 + O2 →2 H2O, et s’accompagne d’un très important dégagement de chaleur (143 kJ pour un gramme de H2 soit trois fois plus que l’essence ou le diesel).
Comme c’est un gaz très léger, 11 fois plus léger que l’air, il faut pour l’utiliser, le comprimer très fort ou le liquéfier. C'est ainsi l'un des combustibles liquides les plus utilisés au décollage, dans les étages cryogéniques des lanceurs de fusée. Par exemple, la navette spatiale Ariane 5 emporte jusqu'à 26 tonnes d'hydrogène liquide dans ses réservoirs !
(2) La pile à hydrogène
Schématiquement, la pile présente deux compartiments alimentés par du dihydrogène à l’anode et de l’air à la cathode. Quand la pile débite, la réaction globale est la même réaction que celle de la combustion directe, soit
2 H2 + O2 → 2 H2O. Voir https://www.mediachimie.org/sites/default/files/FR-pile-images.pdf
Ainsi des voitures électriques, munies d’un réservoir à dihydrogène comprimé, peuvent fonctionner avec le courant continu délivré par une pile à hydrogène, le dioxygène provenant en continu de l’air. Ces voitures, lors de leur fonctionnement, émettent seulement de la vapeur d’eau et non plus des oxydes d’azote ni de dioxyde de carbone. C’est ainsi que l’on parle de « véhicule propre ».
(3) Le réformage du méthane nécessite de travailler entre 800 et 900 °C et sous 350 bars, en présence de catalyseur à base d’oxyde de nickel sur des anneaux d’alumine imprégnés par 10 à 16 % en masse de Ni (leur durée de vie est comprise entre 8 et 10 ans).
(4) Les matières premières utilisées, dans le monde, pour produire le dihydrogène, en 2014 sont à 96 % d’origine fossile.
gaz naturel | hydrocarbures liquides | charbon | électrolyse |
49% | 29% | 18% | 4% |
(5) Globalement l’électrolyse de l’eau, le transport et la compression du gaz à 700 bars consomment environ 75 % de l’énergie que l’on aurait pu récupérer lors du fonctionnement de la pile. En effet, pour qu’un véhicule fonctionne avec une pile à hydrogène vert, il a été nécessaire en amont de faire l’électrolyse de l’eau, d’acheminer le dihydrogène à la station et enfin de comprimer fortement le gaz pour qu’il occupe un volume réduit dans la voiture. On admet que l'électrolyse de l'eau a un rendement compris entre 50 et 60 % par rapport à la puissance électrique fournie. Les rendements de l’électrolyse à haute température peuvent monter plus haut (80 à 90 %) mais il faut faire de la vapeur à 300-800 °C. Enfin il faut comprimer le gaz à 700 bars (de l’énergie est donc dépensée par le compresseur) et la température du gaz s’élève (selon la loi pV=nRT), gaz qu’il faudra refroidir après.
