L'hydrogène poursuit son développement

Que ce soit pour sa production, son transport ou son stockage, l'hydrogène constitue un sujet de recherche très prometteur. Les applications se développent mais certaines ne seront réellement commercialisées que dans 15 ou 20 ans. Depuis l'essor du moteur de fusée à hydrogène durant la seconde moitié du XXème siècle, l'hydrogène continue à séduire la recherche et dans un contexte actuel de réchauffement climatique et d'énergie fossiles chères et limitées, ses propriétés sont appréciées. L'hydrogène énergie est plus que jamais étudiée sous tous les angles. Gaz non toxique dont la combustion est très énergétique, l'hydrogène n'existe pas à l'état libre dans la nature mais seulement à l'état combiné dans l'eau et les hydrocarbures par exemple. Il est intéressant dans le sens où il permet de produire de la chaleur par combustion directe mais aussi de produire de l'électricité dans les piles à combustible (PAC), avec comme seul résidu de l'eau. L'hydrogène est produit à partir de combustibles fossiles (pétrole, gaz, charbon), à partir de l'eau par électrolyse, photoélectrolyse ou dissociation thermochimique. Actuellement les hydrocarbures assurent plus de 90% de la fabrication traditionnelle de l'hydrogène avec la prédominance du gaz naturel mais ces techniques entraînent la libération de CO2. Elles ne sont donc valables sur le plan environnemental que si le CO2 est stocké. De nombreuses recherches sont donc menées pour améliorer la technique en vue de diminuer les émissions de CO2 et de développer les modes de stockage. En ce qui concerne les autres modes de production, les techniques sont encore à l'étude et les conditions de mise en œuvre dépendent de nombreux facteurs. L'électrolyse par exemple représente aujourd'hui moins de 1% de la capacité totale de production de l'hydrogène et n'est utilisée que si l'électricité est bon marché et/ou si une pureté élevée de l'hydrogène produit est requise. L'hydrogène est actuellement et principalement utilisé dans l'industrie, tout particulièrement dans le raffinage des hydrocarbures et dans les industries chimiques et pétrochimiques. L'Agence Internationale de l'Energie estime la production mondiale à 45 Mt par an soit 1,5 % de la production mondiale d'énergie primaire dont 5,85 Mt pour l'Europe. D'autres utilisations de l'hydrogène sont possibles et font l'objet de nombreuses recherches. Il pourrait être utilisé directement dans des moteurs à combustion dans les secteurs de l'industrie ou des transports. Mais pour le secteur industriel son prix est encore trop élevé (4,65 c€/kWh) par rapport au gaz naturel (2,6 c€/kWh ) ou à l'essence (2,8 c€/kWh). Les constructeurs automobiles sont quant à eux de plus en plus intéressés mais la technologie nécessite encore des progrès en termes de rendements des moteurs. De plus, sur le plan environnemental, il n'y a aucun avantage puisque comme toute combustion celle de l'hydrogène entraîne le rejet d'oxydes d'azote (NOx) dans l'atmosphère. Les piles à combustibles restent donc le domaine de prédilection de l'utilisation de l'hydrogène et peuvent s'appliquer dans l'électronique portable, les transports (automobile, bateaux, avions) ou les bâtiments. Associée à l'électrolyse (fabrication d'hydrogène à partir d'eau et d'électricité), elle permet également d'envisager une forme de stockage de l'électricité en particulier celle issue des énergies renouvelables. Dans le secteur de l'électronique, les recherches ont considérablement avancé. En 2007, les premières PAC miniatures pour téléphones et ordinateurs portables vont être commercialisées. Alimentées en méthanol ou en hydrogène ces piles de faible puissance permettent d'augmenter l'autonomie des appareils. Dans le bâtiment, les installations sont disparates et la première démonstration française a eu lieu en 2000 dans la ville de Chelles. La pile à combustible alimente 200 équivalent logement en électricité. L'hydrogène est produit sur place à partir de gaz naturel du réseau de la ville. La chaleur dégagée par la pile est récupérée et alimente le réseau de chauffage urbain de 100 logements. Dans le transport, plusieurs technologies sont en cours de développement et différent selon si l'hydrogène est produit ou non à bord du véhicule. En 2005, plus de 600 piles à combustibles mobiles étaient en circulation dans le monde, tout type de transports confondus (deux roues, véhicules, sous-marin scientifiques, etc). Mais si l'hydrogène était amené à devenir un vecteur énergétique largement répandu, sa production future serait un problème majeur. Dans le domaine des transports par exemple, l'Europe compte actuellement 800 millions de véhicules. Avec sa production actuelle d'hydrogène (20 milliards de m3 par an) elle ne pourrait en alimenter que 10 millions et devrait donc considérablement augmenter sa production. Adopter l'hydrogène comme vecteur énergétique demande donc un certain nombre de progrès tant au niveau de sa production, de son transport et stockage, de sa distribution, de la sécurité de son utilisation et enfin au niveau des piles à combustibles. D'autre part, les sites d'utilisation de l'hydrogène n'étant pas les mêmes que ceux de production, le transport de l'hydrogène est inévitable. Actuellement l'hydrogène est transporté sous sa forme gazeuse sous pression par un réseau de pipeline. L'Europe de l'Ouest possède le plus grand réseau, environ 1500 km à comparer aux 900 km existants aux USA. Les principaux pays européens utilisant des pipelines d'hydrogène sont la France, l'Allemagne et le Benelux. Ce mode de distribution s'avère être le plus économique et sera probablement amené à connaître une forte croissance dans les années qui viennent. Selon certaines études, une adaptation des réseaux actuels de distribution de gaz naturel au transport de l'hydrogène semble être possible dans certaines conditions. L'hydrogène peut être également transporté sous forme cryogénique. L'abaissement de la température permet de liquéfier l'hydrogène qui est alors transportable par route ou par mer. Avant toute utilisation l'hydrogène doit être stocké sous forme de gaz sous pression ou sous forme liquide. De nombreuses études sont en cours pour faciliter les conditions de stockage et assurer la sécurité des sites. Cette notion devient une problématique majeure dans le cadre de l'utilisation d'hydrogène en tant que carburant pour véhicule. Le passage d'une utilisation industrielle à une utilisation domestique est un enjeu crucial. Le principal risque lié à l'utilisation de l'hydrogène est le risque d'explosion. Lorsqu 'il est mélangé à l'air dans des proportions comprises entre 4 et 75% du volume, l'hydrogène est explosif et l'énergie nécessaire à l'inflammation du mélange est extrêmement basse. Il faut donc éviter tout risques de fuite et d'accumulation dans un milieu confiné au niveau du stockage. L'INERIS mène depuis plusieurs années des études sur le sujet et plus particulièrement sur la résistance des réservoirs destinés aux véhicules à hydrogène. Utiliser l'hydrogène à grande échelle sous-entend également le distribuer. À l'instar de ce qui existe aujourd'hui pour les carburants pétroliers, la distribution de l'hydrogène devra rendre ce carburant disponible en tout lieu, en toute sécurité, d'une manière commode et à un prix abordable. Cela impose donc des exigences au niveau de la production, du stockage, du transport, et de l'installation de distribution proprement dite. Une station-service à hydrogène présente l'avantage de pouvoir être alimentée directement sur place puisque l'hydrogène peut en principe être obtenu en tout lieu à partir de toute énergie qu'elle soit renouvelable, nucléaire ou provienne de combustibles fossiles. Déjà une centaine de stations-service existent dans le monde notamment aux Etats-Unis où l'état de Californie a lancé un grand projet d'autoroute équipée de station-service à hydrogène. En mars 2005, déjà 16 stations étaient installées pour 95 véhicules. En 2010, 2000 véhicules sont prévus avec 100 stations-service. Ainsi, beaucoup d'incertitude persistent et de nombreux points doivent encore être définis, testés et approuvés pour voir la filière hydrogène énergie se développer. Que ce soit en Amérique du nord, en Europe ou en Asie, des travaux de recherche fondamentale, appliquée et de développement sont en cours. Les Etats-Unis ont prévu d'investir 4 milliards de dollars, l'Europe 50 Millions de dollars par an et la Chine 85 millions de dollars pour le développement des piles à combustible. À court terme, les perspectives de développement sont concentrées dans l'électronique portable avec une commercialisation d'ici 2 à 3 ans. En revanche, les autres applications seront effectives à moyen ou long terme. On estime, par exemple, que l'utilisation de l'hydrogène dans les transports publics ne verra réellement le jour que dans 10 ans et 15 ou 20 ans pour les véhicules particuliers.