Pourquoi l'hydrogène est un futur vecteur d'énergie.
Proposition de SPC-Lyon, Académie de Lyon
Par l’exemple concret de l’hydrogène, Monsieur Alleau a su aborder des problèmes énergétiques mondiaux du XXIème siècle.
Bien que le titre laisse entendre un contenu technique lié aux sciences physiques, la conférence peut être exploitée par les sciences et vie de la Terre, les sciences économiques et sociales, l’histoire et géographie.
Cet Article se divise en trois parties :
1) Le contenu de la conférence. Il se veut le plus épuré possible pour que les professeurs puissent utiliser directement les informations.
2) Les liens avec les programmes : Seuls les programmes de physique chimie seront pris en compte bien que , comme nous l’avons vu précédemment, la conférence touche d’autres disciplines.
3) Les références bibliographiques : La plupart sont sur Internet et sont libres d’accès.
1) Le contenu de la conférence.
Deux grandes préoccupations
Les ressources fossiles représentent 80% de la consommation énergétique mondiale. Ces ressources sont limitées : 40 ans pour le pétrole, 60 pour le gaz et 150 ans pour le charbon (1).
Beaucoup de pays producteurs ne sont pas politiquement stables.
La combustion des ressources fossiles produit de l’énergie et du CO2.. Par effet de serre, la présence de CO2 dans la haute atmosphère induit une augmentation des températures. De +0.6°C depuis 1861 et estimée à +1.5 à +4.5°C entre 2000 et 2050.
Des engagements ont été pris : c’est le protocole de Kyoto, le plan climat 2005 (diviser par 4 la production de CO2. Il faut donc trouver des solutions pour les suivre, d’autant plus que la consommation de ressources fossiles annuelle risque d’être multipliée par 2 d’ici 2050 (2)
Ne pas confondre énergies primaires et vecteurs d’énergie.
Les énergies primaires sont les ressources directement transformables (énergies fossiles, nucléaires, renouvelables).
Les vecteurs d’énergies sont des moyens de transporter l’énergie (comme l’électricité, l’essence)
L’hydrogène est un vecteur énergétique. Ce n’est pas une énergie primaire.
Comment faire évoluer les énergies primaires pour moins produire de CO2
On ne peut pas arrêter subitement d’utiliser les énergies fossiles. Mais on peut séquestrer le CO2 lorsqu’il est transformé en grande quantité. C’est donc valable pour les centrales électrique mais pas pour les véhicules.
Il faut développer les énergies renouvelables : Le Parlement européen a décidé le 29/09/2005 de passer de 6% en 2001 à 20% en 2020.
Le développement du nucléaire est techniquement, mais pas politiquement, prometteur (via les nouvelles générations de centrale)
Faire des économies et des récupérations d’énergie peut être considéré aussi comme "une ressource énergétique".
Rôle de l’hydrogène.
Actuellement l’électricité, l’essence sont des vecteurs d’énergie. L’essence est utilisée pour le transport mais produit du CO2. Il faut donc le remplacer par un carburant dont la combustion ne produit pas de CO2 : l’hydrogène.
Avantages de l’hydrogène.
-&nbnbsp; L’atome d’hydrogène est très abondant sur Terre.
- La combustion du dihydrogène est la plus énergétique (120MJ/kg, c’est à dire 2,2 fois plus que le gaz naturel)
- Il n’est ni polluant, ni toxique.
- Il est très léger, ce qui est positif pour la sécurité car il se diffuse vite.
- Les modes de production sont variés.
L’hydrogène actuellement.
On en consomme 45 million de tonne par an. Essentiellement pour les industries chimiques.
Si toute cette consommation était utilisée pour l’énergie, cela correspondrait à 1.5% des besoins énergétiques mondiaux.
Le coût de l’hydrogène.
A la vente au détail (en considérant l’essence à 1,2 €/litre TTC), l'hydrogène pourrait être approximativement au même prix que l'essence (avec TIPP) s'il était vendu hors taxes, comme c'est actuellement le cas avec l'éthanol.
Les ressources pour fabriquer l’hydrogène
- Fossiles : c’est ce qui est principalement utilisé actuellement. C’est le reformage pour le pétrole et le gaz, la gazéification pour le charbon. Cette ressource est environnementalement correcte si on séquestre le CO2 produit également par ces réactions. (3)
- Electricité : utiliser l’électrolyse couplée au nucléaire, photovoltaïque, éolien, géothermique, hydraulique
- Chaleur : la thermochimiee à 850°C couplée aux centrales nucléaires HTR (réacteur à haute température) ou a des centrales solaires à concentration.
- Photon : photoélectrolyse, photobiologie, transformation de la biomasse
Le transport de masse.
Les pipe-lines : 2300km sont déjà en exploitation avec de l’hydrogène pur.
Le stockage
Réservoir d'hydrogène sous pression (CEA)
En masse dans des cavités souterraines. La ville de Kiev stocke ainsi du gaz naturel avec 65% de H2.
En petites quantités (c'est-à-dire pour quelques kg)
- les hydrures métalliques (2 à 3 % de H2 stockable dans la masse totale, le réservoir est très lourd par rapport à la quantité de H2 stocké)
- sous forme liquide (7 % de H2 stockable dans la masse totale mais demande beaucoup d’énergie pour être refroidi)
- Sous forme chimique comme dans les borohydrures de sodium (8 % de H2 stockable dans la masse totale)
- Sous haute pression à 350 ou 700 bar (on peut stocker jusqu’à 13% d’hydrogène par rapport à la masse totale, en général c’est plutôt 7 à 8 %)
Comparaison de l’hydrogène et des autres combustibles.
L’énergie stockée par rapport au volume est plus faible pour l’hydrogène (3kWh/L) que pour l’essence (9kWh/L). Mais c’est le candidat le plus fiable pour remplacer l’essence et pour produire de l’énergie sans produire de gaz à effet de serre
La distribution
Le plein de H2 s'il vous plait!
Il existe déjà une centaine de station « hydrogène » dans le monde. Contrairement à ses voisin européens, la France n’a pas encore de station service à hydrogène. Un bel exemple d’intégration de station est celui de la Californie (California Hydrogen Highway)
Les applications énergétiques de l’hydrogène
- L’hydrogène et le moteur thermique : Une application peu coûteuse qui peut être mise en place rapidement : l’utilisation de l’hydrogène dans un moteur thermique automobile.(BMW, Ford, Mazda, Man,Toyota (Prius Quantum))
- La pile à combustible (PAC) : Découverte en 1839 par William Grove. La pile produit de l’électricité en catalysant la combustion de l’hydrogène. C’est l’inverse de l’électrolyse.
- Les PAC se présentent sous formes de modules.
- Tous les types de transport on déjà été testés avec des PAC. En août 2005, 600 systèmes mobiles à PAC sont en circulation (la série de photographies ci dessous montre différents moyens de transport allant du bus au sous-marin en passant par le scooter et le chariot élévateur)
Comparaison PAC et moteur thermiques
Contrairement aux moteurs thermiques la pile à combustible a un très bon rendement même à bas régime. Ici, son rendement est comparé à celui des moteurs diesels dont le rendement est le meilleur de celui des moteurs thermiques (voir graphique ci dessus).
Cependant, le rendement de la pile à combustible diminue lorsque la charge augmente alors que c’est le contraire pour le moteur thermique.
Il serait donc intéressant de combiner les deux dans un moteur hybride :
La pile fonctionnerait à bas régime et le moteur thermique à haut régime.
L’application énergétique stationnaire
Cela va du petit stationnaire : production d’électricité et de chaleur pour un foyer par une PAC de 1kW ; au gros stationnaire : 200kW pour des immeuble, un exemple est en cours d'équipement à l’OPAC de Paris.
L’application énergétique portable
Applicable aux téléphones, ordinateurs… L’autonomie est beaucoup plus importante qu’avec des batteries classiques
Le coût des PAC (technologie électrode membrane, PEM)
- Coût actuel : de 3 à 5000€/kW. Les applications portables peuvent être commercialisées à ce coût, elles devraient apparaître en 2007.
- Pour le stationnaire, il faudrait un coût de 1500 à 2000€/kW ce qui est possible avec production en série.
- Pour les bus, il faudrait un coût de 300 à 500€/kW, c'est peut être possible d’ici 10ans.
- Pour les véhicules légers le coût devrait être de 30€/kW ce qui est impossible sans des ruptures technologiques sur la PAC et le stockage.
Les risques
- &nnbsp; Comme tous les systèmes de stockage d’énergie, l’hydrogène comporte des risques. Il n’est pas plus dangereux que le gaz naturel. Sa légèreté permet une diffusion très rapide dans l’air, il est moins dangereux que l’essence ou le fioul. Le facteur essentiel de la sécurité est d’empêcher tout confinement.
- Les crash tests ont prouvé que l’utilisation d’un réservoir à hydrogène n’est pas plus risquée que celle d’un réservoir à essence.
- D’autres tests on été réalisés : deux voitures identiques on été incendiées celle de gauche a un réservoir d’hydrogène, celle de droite à essence. Cette image a été prise une minute après le début de l’incendie. Après 2min 20s, la combustion de l’hydrogène est terminée, la voiture de gauche n’a pas brûlé alors que celle à essence brûle complètement (4).
Les acteurs français et internationaux
L’investissement en France sur la valorisation du secteur hydrogène est de 100 M€. Au niveau international l’investissement dans la valorisation de la filière hydrogène est nettement plus important. Par exemple les Etats Unis investissent 10 fois plus que la France
Quels que soient les choix énergétiques à long terme, l’hydrogène est un vecteur d’énergie crédible et utilisable dans tous les cas.
2) Les liens avec les programmes (physique-chimie)
- En collège, dans les thèmes de convergence: thème 1 (énergie); thème 2 (développement durable)
- En lycée:
- en seconde, en chimie dans "III Transformation de la matière".
- En première S, en physique dans "II Forces travail et énergie"
- En première S, en chimie dans"I.D.2. Réactions d'oxydoréduction"
- En terminale S, en chimie dans "C.2 les piles... et C.3. Les transformations forcées"
- la conférence peut aussi servir de point de départ d'un TPE...
3) Références bibliographiques
(1) rapport BP 2006
(2) Rapport royal Dutch Shell 2001
(4) Département de l’énergie des USA
La référence : Pourquoi l’hydrogène : Charte sur l’hydrogène