L’hydrogène est l’élément le plus abondant de la planète ; pourtant il n’existe pratiquement pas à l’état pur dans la nature. © Digital Vision

Les transports représenteront un cinquième de la consommation mondiale d’énergie primaire d’ici à 2030 avec le pétrole toujours au premier rang. Pour respecter les engagements en termes d’émissions de CO₂ et de préservation des énergies fossiles, il parait indispensable de trouver des solutions alternatives au pétrole. L’hydrogène pourrait jouer ce rôle, tout comme les biocarburants de deuxième génération à plus court terme.

Depuis plusieurs années, l’hydrogène est considéré comme le vecteur énergétique d’avenir pour les transports. Elément le plus abondant de notre planète, essentiellement présent sous forme d'eau, l’hydrogène permet de stocker et de distribuer de façon souple l'énergie, tout en étant peu polluant et à forte capacité énergétique (triple de celle des carburants classiques). L’hydrogène pourrait ainsi être utilisé directement (combustion classique) ou en utilisant des « piles à combustible » qui convertiraient l’hydrogène en électricité et en chaleur. Cependant,  de nombreux développements technologiques restent à faire pour amener cette nouvelle filière énergétique à des niveaux de coût et de performances acceptables.

Le CEA a choisi une approche globale de la filière hydrogène. Les recherches conduites par le CEA portent donc sur toutes les étapes de cette filière : production, stockage, transport et distribution.  Les recherches ont pour objectif de développer des procédés de production de l’hydrogène compétitifs et émettant peu de gaz à effet de serre ainsi que des modes de stockage de l’hydrogène innovants et sûrs, et d’amener les performances et les coûts des piles à combustibles à un niveau acceptable en fonction de l’application visée (transports en commun, voitures particulières, …), de miniaturiser les piles à combustibles pour les téléphones ou les ordinateurs portables.

Concernant la production d’hydrogène, le CEA porte ses efforts sur deux voies de recherche : la décomposition de l’eau, par électrolyse ou réactions chimiques à haute température et les procédés thermochimiques. L’étude de ces deux voies prend en compte les sources de chaleur et de production d’électricité de masse d’origine nucléaire dont la France dispose et sur lesquelles le CEA travaille. L’un des objectifs essentiels, outre l’absence d’émission de gaz à effet de serre, tient dans la compétitivité d’une telle production, qui doit approcher de 2 €/kg d’hydrogène au regard des projections de coûts des modes actuels de production.

Pour le stockage de l’hydrogène, les chercheurs s’intéressent à deux modes : le stockage gazeux haute pression qui s’effectue dans des conteneurs composites, et le stockage basse pression en phase solide (l’hydrogène y est absorbé dans des matériaux).

Enfin, pour les piles à combustible, deux voies sont explorées : les piles à membranes échangeuses de protons (PEMFC) et les piles à oxydes solides (SOFC), dont les applications sont complémentaires et les contraintes très différentes. Pour ces deux technologies, les chercheurs étudient l’ensemble des mécanismes déterminant les performances, le vieillissement et les dégradations des piles.

La biomasse  constitue une ressource renouvelable permettant de produire des carburants de synthèse utilisable dans les moteurs traditionnels.  Ces « biocarburants » sont actuellement majoritairement produits à partir de produits agricoles comme la betterave, le blé, la canne à sucre. Ces biocarburants n’utilisent qu’une partie de la plante et donc ne valorisent pas totalement les cultures. Face à l’augmentation de la population et à ses besoins alimentaires, il apparait indispensable de développer une nouvelle filière de biocarburants s’inscrivant mieux dans une logique de développement durable, notamment en ne concurrençant pas les usages alimentaires de certaines plantes, tout en n’émettant pas de gaz à effet de serre.

Dans cet objectif, le CEA conduit, en coordination avec l’Institut français du pétrole (IFP), un programme sur les biocarburants de 2ème génération. Pour cela, les chercheurs étudient la possibilité de produire par voie thermochimique des biocarburants issus de biomasses constituées de bois, produits et résidus agricoles (ex.paille). Ces recherches sont inscrites dans le programme Biocarb, dont l’objectif est de fournir, à partir de biomasse dite « lignocellulosique » (bois / paille, culture spécifique), un biogaz de haute pureté composé de monoxyde de carbone et d’hydrogène. Ce biogaz permettant ensuite de produire un biocarburant liquide de haute qualité pour les transports. Le CEA cherche en particulier à maximiser la production de biocarburants à partir d’une  quantité de biomasse donnée, notamment en étudiant les procédés avec apport d’énergie extérieure (Hydrogène, électricité, chaleur).

En parallèle, les recherches menées au CEA sur la biomasse ont en perspective le développement, à long terme, d’une production d’hydrogène complémentaire de celle d’origine nucléaire, l’hydrogène pouvant lui aussi être produit à partir de cette filière.

POUR EN SAVOIR PLUS SUR : sur l'hydrogène et les biocarburants
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	« La filière hydrogène, avancées récentes de la recherche, perspectives industrielles » - Dossier de presse - Septembre 2007 Le recours à l'hydrogène comme vecteur énergétique, et son utilisation via une pile à combustible peuvent apporter des réponses adaptées aux défis énergétiques du XXIème siècle. Point sur les recherches conduites au CEA. (fichier pdf, 1,1 Mo)
« L’Europe accélère la recherche sur l’hydrogène et les piles à combustible » Communiqué de presse - 11 Octobre 2007 L’Europe a annoncé le lancement d’un partenariat de recherche sans précédent, une Joint Technology Initiative (JTI), dans le domaine de l’hydrogène et des piles à combustible ; le regroupement des acteurs de la recherche publique européenne a été confié au CEA.