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L'hydrogène

Caractéristiques de l'hydrogène


L’hydrogène comme vecteur énergétique représente aujourd’hui un enjeu majeur, tant scientifique, qu’environnemental et économique. Léger, abondant et énergétique… Face à la demande mondiale d'énergie, il sera l'acteur incontournable du XXIe siècle.

Publié le 1 décembre 2013
La nomenclature chimique a évolué. On emploie hydrogène" pour l’élément et "dihydrogène" pour le gaz. Il en est de même pour l’oxygène.

Introduction

Il y a plus d’un siècle, Jules Verne écrivait dans "L’Île mystérieuse" qu’un jour l’eau serait employée comme source de combustible : "L’hydrogène et l’oxygène, qui la constituent, utilisés isolément ou simultanément, fourniront une source de chaleur et de lumière inépuisables." Aujourd’hui, ce qu’on appelle abusivement le "moteur à eau" n’est plus tout à fait un rêve d’écrivain. Grâce au dihydrogène, qui peut être produit à partir de l’eau et qui, en brûlant dans l’air, produit lui-même de l’eau, la réalité est sur le point de rejoindre la fiction. Il est désormais au cœur de recherches internationales. Mais pourquoi tant d’attentes autour du dihydrogène ?

Dominé par les énergies fossiles (pétrole, gaz, charbon), notre système énergétique actuel fait planer une double menace sur notre environnement : il expose la planète à l’épuisement de ses réserves naturelles et contribue à l’effet de serre. Si nous voulons un développement durable pour les générations futures, il devient nécessaire de diversifier nos modes de production d’énergie. Certes, le dihydrogène n’est pas une source d’énergie mais un vecteur : il doit lui-même être produit dans un premier temps. Mais il a un double avantage : il est à la fois inépuisable et non polluant. Il devrait donc jouer, à l’avenir, un rôle très important.

Les technologies de l’hydrogène font l’objet de programmes de recherches au CEA depuis la fin des années 1990. Elles contribuent au développement des énergies nouvelles et reposent notamment sur des savoir-faire en termes de matériaux, de procédés hautes températures et hautes pressions, et d’intégration.


L’histoire du dihydrogène et de la pile à combustible

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Le chimiste britannique Henry Cavendish parvient à isoler une étrange substance gazeuse qui, en brûlant dans l’air, donne de l’eau, le dihydrogène.Appelé jusqu’alors “air inflammable”, l’hydrogène doit son nom au chimiste français Antoine-Laurent de Lavoisier, qui effectue la synthèse de l’eau.Le Français Louis-Joseph Gay-Lussac et l’Allemand Alexander von Humboldt démontrent conjointement que l’eau est composée d’un volume de dioxygène pour deux volumes de dihydrogène.
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L’Anglais William R. Grove découvre le principe de la pile à combustible : il s’agit d’une réaction chimique entre le dihydrogène et le dioxygène avec production simultanée d’électricité, de chaleur et d’eau.L’Anglais Francis T. Bacon fait progresser les générateurs chimiques d’électricité, qui permettent la réalisation du premier prototype industriel de puissance.À partir de cette date, la Nasa utilise la pile à combustible pour alimenter en électricité ses véhicules spatiaux (capsules Apollo et Gemini).
Focus sur


Nouveaux matériaux, tests, développement de technologies : le système dihydrogène-pile à combustible alimentera bientôt nombre de nos équipements.
le système dihydrogène-pile à combustible alimentera bientôt nombre de nos équipements © P.Stroppa/CEA
le système dihydrogène-pile à combustible alimentera bientôt nombre de nos équipements
© P.Avavian/CEA
le système dihydrogène-pile à combustible alimentera bientôt nombre de nos équipements
© P.Stroppa/CEA

 
Pour en savoir plus

ReportageL'hydrogène, vecteur énergétique
  • Electrolyseur haute température
    Assemblage d'un empilement d'électrolyseur haute température sur banc d'essais.
    Crédits photo : P.Avavian/CEA / Date : 14 décembre 2011 / Lieu : CEA Grenoble
    Electrolyseur haute températureAfficher en plein écran
  • Réservoir d'hydrogène
    Réservoir de stockage d’hydrogène sous forme d’hydrures métalliques.
    Crédits photo : P.Avavian/CEA / Date : 14 décembre 2011 / Lieu : CEA Grenoble
    Réservoir d'hydrogèneAfficher en plein écran
  • Matériaux pour électrolyse haute température
    Installation dédiée à la qualification des matériaux pour les composants d'électrolyse de la vapeur d'eau à haute température destinés à produire de l'hydrogène.
    Crédits photo : P.Avavian/CEA / Date : 14 décembre 2011 / Lieu : CEA Grenoble
    Matériaux pour électrolyse haute températureAfficher en plein écran
  • Réservoir de stockage
    Réservoir de stockage de 15kg d'hydrogène.
    Crédits photo : P.Avavian/CEA / Date : 14 décembre 2011 / Lieu : CEA Grenoble
    Réservoir de stockageAfficher en plein écran
  • Rotomoulage d'un réservoir
    Emoulage d'un réservoir polyuréthane, destiné à stocker de l'hydrogène, à l'issue d'un cycle de rotomoulage.
    Crédits photo : P.Stroppa/CEA / Date : 26 avril 2010 / Lieu : CEA Le Ripault
    Rotomoulage d'un réservoirAfficher en plein écran
  • Tressage-bobinage d'un réservoir
    Empilement de couches par tressage-bobinage finalisant la réalisation des réservoirs d'hydrogène.
    Crédits photo : P.Stroppa/CEA / Date : 26 avril 2010 / Lieu : CEA Le Ripault
    Tressage-bobinage d'un réservoirAfficher en plein écran


L'hydrogène : premier de la classe

L'hydrogèneDe tous les éléments chimiques, l’hydrogène est le plus léger car il possède la structure atomique la plus simple : son noyau se compose d’un unique proton et son atome ne compte qu’un électron. Il tient donc la première place dans la classification périodique de Mendeleïev.
Chronologiquement, l’hydrogène est d’ailleurs l’ancêtre de tous les autres éléments. Présents dès les premiers instants de l’Univers, les noyaux d’hydrogène ont fusionné dans les étoiles pour donner naissance à des noyaux plus lourds et plus complexes.


Le dihydrogène : une petite molécule pleine d'énergie

La molécule de dihydrogène est constituée de deux atomes d’hydrogène (H2). Sa combustion avec le dioxygène (O2) ne produit que de l’eau (H2O) : 2H2 + O2 -> 2H2O.
Incolore, inodore, non corrosif, le dihydrogène a l’avantage d’être particulièrement énergétique. La combustion d’1 kg de ce gaz libère environ 3 fois plus d’énergie qu’1 kg d’essence (soit 120 MJ/kg* contre 45 MJ/kg pour l’essence).
L’hydrogène est très abondant à la surface de notre planète
L’hydrogène est très abondant à la surface de notre planète. Pourtant il n’existe pas à l’état pur. © Digital Vision

* MJ = Millions de joules. Le joule est l’unité d’énergie.
** Pétrole, gaz naturel…

En revanche, comme ce gaz est très peu dense, il occupe, à masse égale, un volume bien plus grand qu’un autre. Ainsi, pour produire autant d’énergie qu’avec 1 litre d’essence, il faut 4,6 litres de dihydrogène comprimé à 700 bars. Ces volumes importants sont une contrainte pour le transport et le stockage sous forme gazeuse. Comme de nombreux combustibles, le dihydrogène peut s’enflammer ou exploser au contact de l’air. Il doit donc être utilisé avec précaution. Toutefois la petitesse de ses molécules lui permet de diffuser très rapidement dans l’air (quatre fois plus vite que le gaz naturel), ce qui est un facteur positif pour la sécurité.


L'hydrogène présent partout... mais disponible nulle part

Bien que l’hydrogène soit très abondant à la surface de notre planète - l’eau couvre 70 % du globe terrestre - il n’existe jamais à l’état pur. Le dihydrogène pourrait être utilisé comme source quasi-inépuisable d’énergie… à condition de savoir le produire en quantité suffisante.
On trouve également de l’hydrogène dans les hydrocarbures** qui, comme leur nom l’indique, sont issus de la combinaison d’atomes de carbone et d’hydrogène. Enfin, tout organisme vivant, animal ou végétal, est composé d’hydrogène : la biomasse est donc une autre source potentielle d’hydrogène.

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