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L'hydrogène

Enjeux d'une économie de l'hydrogène


Combiné à l'électricité, le dihydrogène obtenu à partir de sources d'énergies bas carbone prendra une place croissante dans de nombreuses applications.

Publié le 1 décembre 2013

Dihydrogène et combustibles fossiles

Le XIXe siècle, marqué par l’utilisation du charbon, a vu le dihydrogène trouver un emploi dans les systèmes d’éclairage et de chauffage de certaines villes. Il provenait de la « distillation » de la houille effectuée pour obtenir le coke et se trouvait alors mélangé à d’autres gaz comme le monoxyde de carbone. Au cours du XXe siècle, avec l’apparition du gaz naturel et surtout du pétrole, le dihydrogène n’a plus guère été utilisé pour fournir de l’énergie, si ce n’est dans le domaine de la propulsion de certaines fusées (Ariane 5 par exemple).

Charbon, pétrole et gaz naturel ont longtemps été les principales sources d’énergie primaire. Mais leurs combustions chargent notre atmosphère en gaz à effet de serre et leur épuisement futur est inévitable. Cela conduit à imaginer leur remplacement par des sources qui permettront de produire, dans un premier temps, de l’énergie électrique. Celle-ci ne pouvant être stockée facilement, il deviendra alors intéressant de s’en servir pour produire du dihydrogène qui sera utilisé à la demande, en fonction des besoins. La filière hydrogène de demain ne sera donc pas celle d’hier. À l’avenir, il permettra de produire de la chaleur mais également de l’électricité, grâce à la pile à combustible (schéma ci-dessous), voire des carburants liquides ou gazeux de synthèse.

Le dihydrogène est le parfait complément des énergies renouvelables, qui sont intermittentes.

fonctionnement de la pile à combustible

Crédit : CEA

VidéoLes enjeux d’une production d’hydrogène "décarbonée"
VidéoL'hydrogène pour les transports
Le dihydrogène à l’état liquide
Le dihydrogène à l’état liquide : le carburant incontournable de la propulsion spatiale. © ESA-CNES-ARIANESPACE / Optique Vidéo du CSG

Piles à combustible souples
Piles à combustible souples visant l'alimentation de nombreuses applications portables (micro, lecteurs CD...). © Artechnique/CEA

* Qui adviennent à certaines heures et à certaines périodes de l’année.

** Alternance jour/nuit pour le solaire, vents irréguliers pour l’éolien.

Aujourd’hui, la production de dihydrogène représente à peine  10 % des besoins annuels en énergie des seuls transports
Aujourd’hui, la production de dihydrogène représente à peine 10 % des besoins annuels en énergie des seuls transports. © P.Avavian/CEA

Le dihydrogène peut aussi être généré dans des plateformes solaires thermiques à concentration
Le dihydrogène peut aussi être généré dans des plateformes solaires thermiques à concentration. © P.Avavian/CEA

 
VidéoLa Myrte électrique

Une insertion dans le mix énergétique

La production actuelle d’énergie électrique est principalement assurée en France par des réacteurs nucléaires et des barrages hydroélectriques. Ceux-ci fournissent la base de la consommation moyenne et doivent faire face aux pics de consommation*. En complément, on a recours à des centrales thermiques au fioul ou au charbon. On pourrait éviter d’utiliser ces énergies fossiles pour favoriser une filière basée sur l’hydrogène.

De même, la production d’énergie électrique à l’aide de sources renouvelables est intermittente. La production de dihydrogène, lorsque ces sources fonctionnent à plein, et la restitution de l’énergie ainsi stockée lorsque la demande est maximale, permettrait d’optimiser l’usage de ces sources en lieu et place de celles émettant des gaz à effet de serre.


Une solution pour les lieux de consommation isolés

L’acheminement de l’énergie électrique dans les lieux isolés (vallées reculées, îles…) est parfois difficile. Il devient alors intéressant de produire cette énergie électrique sur place grâce à de petites unités d’énergies renouvelables (photovoltaïque et éolien) avec un système de production, stockage et conversion de dihydrogène (pile à combustible). Cette solution peut vite se révéler moins onéreuse et plus performante que celle utilisant des batteries, suivant les cas.


De nombreuses applications

Notre dépendance aux combustibles fossiles est criante dans le domaine des transports, avec 95 % des besoins couverts par le pétrole.
De nouveaux véhicules fonctionnant avec du dihydrogène sont à l’étude ou existent déjà en tant que prototypes. Deux options de motorisation existent : le moteur thermique classique à explosion ; le moteur électrique alimenté par une pile à combustible consommant du dihydrogène.
Dans les deux cas, ces véhicules ne rejettent que de l’eau dans l’atmosphère. On notera que le moteur électrique permet d’augmenter très significativement le rendement de la motorisation (km parcouru / kg de dihydrogène).

La pile à combustible est promise à un bel avenir. Outre ses applications dans le transport, elle peut être miniaturisée et servir de chargeur pour des appareils nomades, tels que téléphone, ordinateur...
Si le dihydrogène issu du gaz de synthèse ou du reformage de certains hydrocarbures a déjà de nombreuses applications, pour les industries chimiques et pétrochimiques, son introduction dans le mix énergétique ne présente un véritable intérêt que lorsqu’il est produit à partir des énergies bas carbone (énergies renouvelables ou énergie nucléaire).

Dans le cas des énergies renouvelables, le dihydrogène pallie efficacement leur intermittence** en stockant sous forme chimique l’énergie excédentaire produite lors des périodes de forte production et/ou de faible consommation. Dans le cas de l’énergie d’origine nucléaire, il peut venir au secours d’une production mal adaptée à la gestion des pics de consommation. Stockable dans des conditions acceptables de sécurité et transportable, le dihydrogène sert d’étape intermédiaire entre la production et la consommation d’électricité. Son avenir est aussi dans la décentralisation de la production d’énergie électrique, induite par l’utilisation de sources renouvelables de petite ou moyenne taille éparpillées sur de vastes territoires à faible densité de population. Cette perspective est actuellement expérimentée dans le projet éolien-dihydrogène d’Utsira en Norvège ou le projet solaire-dihydrogène Myrte, en Corse (cf encadré sur la Plate-forme Myrte).

Mais avant que le dihydrogène n’entre dans la vie quotidienne, des progrès doivent être faits à chaque étape de la filière : production avec une faible empreinte carbone, transport à un coût raisonnable, stockage avec des contraintes de densité énergétique compatibles avec les utilisations visées, conversion.

La plateforme Myrte

Plateforme Myrte
Plateforme Myrte © P.Avavian/CEA

Installée en Corse, la plate-forme Myrte (Mission hydrogène renouvelable pour l’intégration au réseau électrique) utilise le principe de stockage de l’énergie renouvelable intermittente via le vecteur hydrogène. Ce démonstrateur stocke l’énergie photovoltaïque grâce à un électrolyseur qui la transforme en énergie chimique, en décomposant les molécules d’eau en dihydrogène et dioxygène pendant les heures de faible consommation. Cette énergie est ensuite restituée au réseau par une pile à combustible de 100 kW (qui recompose des molécules d’eau par un transfert d’électrons générant de l’énergie électrique) pendant les heures de forte consommation, en particulier le soir alors que les panneaux photovoltaïques ne fonctionnent plus. La plate-forme est constituée d’une centrale photovoltaïque d’une puissance installée de 560 kWc*** sur 3 700 m2, reliée directement à une chaîne hydrogène, utilisée comme un moyen de stockage.

*** kWc (kilowatt-crête) est une unité de mesure représentant la puissance maximale d’un dispositif.