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
| 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. |
| 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.
© P.Avavian/CEA
© P.Stroppa/CEA
Pour en savoir plus
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 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 (H
2). Sa combustion avec le dioxygène (O
2) ne produit que de l’eau (H
2O) : 2H
2 + O
2 -> 2H
2O.
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. 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.