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Article dossier jeunes | Les nouvelles énergies | L'hydrogène

Caractéristiques de l'hydrogène (1/6)

Il y a plus d’un siècle, Jules Verne écrivait dans L’Île mystérieuse qu’un jour l’eau serait employée comme combustible : « L’hydrogène et l’oxygène, qui la constituent, utilisés isolément ou simultanément, fourniront une source de chaleur et de lumière inépuisables. » Aujourd’hui, le “moteur à eau” n’est plus tout à fait un rêve d’écrivain. Grâce à l’hydrogène, 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. L’hydrogène est désormais au cœur des recherches internationales.
Mais pourquoi tant d’attentes autour de l’hydrogène ?
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, l’hydrogène n’est pas une source d’énergie : 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.

Mis à jour le avril 2007

L'histoire de l'hydrogène et de la pile à combustible en quelques dates.
1766
Le chimiste britannique Henry Cavendish parvient à isoler une étrange substance gazeuse qui, en brûlant dans l’air, donne de l’eau : l’hydrogène.		    
1781
Appelé jusqu’alors “gaz inflammable”, “l’hydrogène” doit son nom au chimiste français Antoine-Laurent de Lavoisier, qui effectue la synthèse de l’eau.		    
1804
Le Français Louis-Joseph Gay-Lussac et l’Allemand Alexander von Humboldt démontrent conjointement que l’eau est composée d’un volume d’oxygène pour deux volumes d’hydrogène.		  
1839
L’Anglais William R. Grove découvre le principe de la pile à combustible : il s’agit d’une réaction chimique entre l’hydrogène et l’oxygène avec production simultanée d’électricité, de chaleur et d’eau.		    
1939-1953
L’Anglais Francis T. Bacon fait progresser les générateurs chimiques d’électricité, qui permettent la réalisation du premier prototype industriel de puissance.		    
1960
À partir de cette date, la Nasa utilise la pile à combustible pour alimenter en électricité ses véhicules spatiaux (capsules Apollo et Gemini).		  

L'HYDROGÈNE : PREMIER DE LA CLASSE

De 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 pour donner naissance à des noyaux plus lourds et plus complexes.




UNE PETITE MOLÉCULE PLEINE D'ÉNERGIE

La molécule d’hydrogène que nous utilisons le plus couramment est composée de deux atomes d’hydrogène (H2).
Incolore, inodore, non corrosive, cette molécule a l’avantage d’être particulièrement énergétique : 1 kg d’hydrogène libère environ 3 fois plus d’énergie qu’1 kg d’essence (soit 120 MJ/kg contre 45 MJ/kg pour l’essence).
En revanche, comme l’hydrogène est le plus léger des éléments, il occupe, à poids égal, beaucoup plus de volume qu’un autre gaz. Ainsi, pour produire autant d’énergie qu’avec 1 litre d’essence, il faut 4,6 litres d’hydrogène comprimé à 700 bars. Ces volumes importants sont une contrainte pour le transport et le stockage sous forme gazeuse. Comme de nombreux combustibles, l’hydrogène peut s’enflammer ou exploser au contact de l’air. Il doit donc être utilisé avec précaution. Mais 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.




PRÉSENT PARTOUT… MAIS DISPONIBLE NULLE PART

L’hydrogène est extrêmement abondant sur notre planète. Chaque molécule d’eau (H2O) est le fruit de la combinaison entre un atome d’oxygène et deux atomes d’hydrogène. Or, l’eau couvre 70 % du globe terrestre. 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.
Mais bien qu’il soit l’élément le plus abondant de la planète, l’hydrogène n’existe pratiquement pas dans la nature à l’état pur. L’hydrogène pourrait donc être converti en énergie de façon inépuisable… à condition de savoir le produire en quantité suffisante.

  
L'hydrogène sur la table de Mendeleïev
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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
  MJ 
Millions de joules. Le joule est l’unité utilisée pour mesurer l’énergie.
  Hydrocarbures 
Pétrole, gaz naturel…