Résumé :

• L’intérêt de l’hydrogène (H₂) dans le domaine de l’énergie tient d’abord au fait que 1 kg d’hydrogène permet de stocker autant d’énergie que ~ 4 litres d’essence (ou 3kg). Il réagit facilement avec le dioxygène pour donner de l’énergie thermique (combustion) ou électrique (pile à combustible).
• Il peut être utilisé pour stocker ou transporter de l’énergie et, dans certaines conditions, il concurrencera l’électricité. Mais 1 kg de H₂ gazeux occupe un volume environ 2 800 fois plus grand que 4 l d’essence dans les conditions ordinaires de pression et de température. Pratiquement, qu’il s’agisse de stockage ou de transport, le gaz est souvent comprimé dans des bouteilles en acier à une pression pouvant atteindre 700 fois la pression atmosphérique (à cette pression, en prenant en compte la masse du réservoir, la densité d’énergie par kg est réduite d’un facteur ~15). On développe aussi des procédés de stockage de H₂ dans des matériaux solides, avec des densités d’énergie comparables à celle assurée par une compression à 700 bars.
• H₂ peut s’enflammer avec l’air et/ou exploser en cas de fuite. Comme c’est le cas pour de nombreux produits inflammables, son utilisation demande donc des précautions particulières.
• Aujourd’hui, plus de 90% de H₂ est obtenu à partir d’hydrocarbures, mais il peut aussi être produit par électrolyse de l’eau, c’est-à-dire à partir d’électricité et d’eau, avec un rendement énergétique qui peut atteindre, voire dépasser 80%. La production par électrolyse ne génère aucune pollution.
• On peut aussi produire H₂ par des procédés biologiques, à partir de la biomasse ou de certains déchets.  Cette production est concurrencée par celle de méthane.
• La façon la plus prometteuse d’utiliser l’énergie chimique de H₂ est de mettre en œuvre une pile à combustible. De l’énergie électrique est alors directement obtenue de H₂ et O₂ avec un rendement de 50% à 60% aujourd’hui (plus de 90% bientôt) et un moteur peut convertir cette énergie électrique en énergie mécanique avec un rendement proche de 1. Cet usage de H₂ produit de l’eau et n’est accompagné d’aucune pollution.
• Il existe aujourd’hui des voitures et des autobus électriques utilisant le H₂, bientôt des trains et même des « vélos ». Un kg de H₂ permet à une voiture « ordinaire » de parcourir une soixantaine de km. Mais ce qui manque encore, c’est un réseau dense de distribution de ce gaz.
• H₂ est susceptible d’être très largement utilisé pour stocker et transporter de l’énergie. En particulier, il pourrait être fait largement appel à ce gaz pour le stockage de l’électricité des sources intermittentes dans les périodes de surproduction.
• La comparaison entre l’hydrogène et l’électricité en tant que ‘vecteurs énergétiques’, ainsi qu’une estimation des coûts des diverses étapes de la filière hydrogène et de leur financement feront l’objet d’autres fiches. 

1. Introduction.

L’intérêt de l’hydrogène[1] (H₂) dans le domaine de l’énergie tient d’abord au fait que 1 kg d’hydrogène permet de stocker autant d’énergie que ~3 kg d’essence[2]. Le gros désavantage est que 1 kg d’hydrogène gazeux occupe un volume environ 2 800 fois plus grand que 3 kg d’essence dans les conditions ordinaires de pression et de température.

L’énergie emmagasinée dans l’hydrogène[3] peut être libérée soit par simple combustion dans l’air en réagissant avec l’oxygène, et l’énergie thermique alors produite peut être transformée en énergie mécanique mais avec un mauvais rendement (souvent inférieur à 30%), soit en la transformant directement en énergie électrique dans une pile à combustible, avec aujourd’hui un rendement double, et cette énergie électrique peut alors être transformée en énergie mécanique avec un rendement proche de 1.

Dans le contexte du réchauffement climatique et de la pollution atmosphérique, l’intérêt  de l’hydrogène est aussi de ne produire que de l’eau (H₂O) par combustion dans l’air : contrairement à la combustion des hydrocarbures, celle de l’hydrogène ne produit ni CO₂, ni suies, ni hydrocarbures imbrûlés, et bien moins d’oxydes d’azote.

Un autre intérêt de l’hydrogène est que son économie peut être rendue totalement circulaire puisque (1) H₂ peut être facilement produit à partir de l’eau (par des électrolyseurs) et (2) son utilisation ne produit que de l’eau.

 Nous nous proposons ici d’évaluer la production de H₂, ses modes de stockage et les procédés qui transforment l’énergie qu’il contient² en une autre forme d’énergie. Cette évaluation fait intervenir de façon essentielle le rendement de chacune des étapes de sa mise en œuvre.

2. Production de H₂.

Aujourd’hui, plus de 90% de l’hydrogène est obtenu à partir d’hydrocarbures (principalement gaz naturel)[4], mais ces procédés ne seront pas considérés ici du fait qu’ils libèrent du CO2. C’est d’abord l’obtention de H₂ par électrolyse de l’eau qui nous intéresse. Le rapport entre l’énergie emmagasinée dans l’hydrogène² produit et l’énergie électrique nécessaire à cette production, calculé à partir du pouvoir calorifique supérieur (PCS)[5] de la combustion du hydrogène donnant l’eau liquide (39,4 kWh/kg = 142 MJ/kg), sera dénommé par la suite ‘rendement énergétique de l’électrolyse’ – bien que le rendement d’une électrolyse soit défini autrement par les électro-chimistes. Ce rendement énergétique dépend du dispositif choisi, et n’a rien à voir avec celui du « cycle de Carnot » qui intéresse les machines thermiques[6]. Ici, il résulte seulement de processus physiques irréversibles, essentiellement de la chaleur produite par la résistance électrique interne du dispositif d’électrolyse, chaleur qu’il faut évacuer plus ou moins suivant la température de fonctionnement choisie. Ce rendement dépend du procédé choisi et de la conception du dispositif. On trouve beaucoup de détails sur les électrolyseurs, et en général sur l’utilisation de l’hydrogène dans les rapports techniques de « France-Hydrogène »[7].

Il y a deux grands modes d’électrolyse, très différents : 1) alcaline (classique), 2) à électrolyte solide : PEM, proton exchange membrane (membrane à échange de protons), ou SOEC, solid oxide electrolyser cell, ce second mode étant plus simple mais plus cher que le premier, d’un rendement de 5 à 10% plus élevé et d’une puissance allant jusqu’à 850 kW (soit ~250 m³/h de H2). Le second mode n’est rien d’autre qu’une pile à combustible fonctionnant en mode inverse. Des modules d’électrolyse peuvent produire 1400 m³/h de H₂, sous une pression de 3 à 30 bars, à une température atteignant 650 °C.

Le CEA/Liten[8] a proposé récemment une électrolyse SOEC à haute température (environ 1000°C), eau à 150 °C et H₂ à 700 °C, avec un rendement très élevé : 99% obtenu, la chaleur étant produite par les irréversibilités.  

Dans tous les cas, un purificateur d’eau est habituellement requis en amont, mais on sait maintenant électrolyser même l’eau de mer en ralentissant beaucoup la corrosion de l’anode (article de 2019 dans Proc. National Academy of Sciences[9]). Selon la thèse de A. Mansouy en 2012 à Bordeaux[10], sur une cellule du type SOEC, après 1000 heures de fonctionnement, on observe une certaine détérioration des performances.

Des études récentes montrent qu’on peut aussi obtenir de l’hydrogène en dissociant l’eau avec de la lumière solaire dans une cellule électro­-photo-chimique. Un article de l’EPFL (Lausanne), dans Nature Energy de mai 2019[11], montre qu’en concentrant la lumière du soleil pour obtenir une température d’environ 450 °C, on peut obtenir 24 % de « Solar to Hydrogen Efficiency » (efficacité de conversion de l’énergie solaire utilisée en énergie emmagasinée dans le H₂). Mais le procédé est délicat (il met en œuvre une jonction triple InGaP/InGaAs/Ge).  Il en est au stade de la recherche. 

On peut aussi produire de l’hydrogène par des procédés biologiques, à partir de  la biomasse ou de certains déchets, et même à partir d’eaux usées, avec des algues ou des bactéries. Les déchets végétaux produisent plus facilement, ou du moins de façon mieux connue, du méthane et d’autres hydrocarbures, qui sont dans ces conditions des combustibles renouvelables. Ces procédés produisent aussi du CO₂, mais dans ce cas on peut le séparer sans trop de difficulté, même si c’est un défaut de la méthode.

La production biologique d’hydrogène à partir de déchets ménagers (déchets organiques et eaux usées) est analysée dans un rapport du BRGM[12] de 2004.  Cette étude montre comment les taux de production de méthane, d’hydrogène et de CO₂ varient en fonction de certains paramètres physico-chimiques, notamment électriques (il s’agit alors d’‘électro-stimulation’[13]), du réacteur. Un rapport de l’INRA[14] de 2015 indique qu’avec certaines biomasses, on peut se passer de lumière. De tels procédés de « dark fermentation » sont au stade de la recherche ; leur efficacité en hydrogène apparaît limitée et ils produisent aussi des molécules organiques de manière secondaire.

De toute façon, il faudra choisir entre une utilisation de ces déchets comme sources d’hydrocarbures – d’autant plus que ceux-ci resteront presque indispensables pour l’aéronautique – ou comme sources de H₂.

3. Utilisation de H₂ comme source d’énergie.

Le chauffage (fixe) est facile par la combustion directe de H₂ avec l’air, connue du point de vue scientifique et ne posant aucun problème technique. Elle donne de l’eau et un peu d’oxydes d’azote (dus à la combinaison d’azote de l’air avec des atomes d’oxygène dissocié par la haute température), moins qu’avec un hydrocarbure, et pas de suies évidemment. Si on veut juste chauffer de l’air, le rendement de la combustion est 100%, alors que si on chauffe un fluide ou un solide contenu dans une enceinte ou un réservoir, l’énergie thermique peut se perdre à l’extérieur de l’enceinte à chauffer et le rendement énergétique du dispositif est alors inférieur à l’unité – et d’autant plus faible si on laisse échapper des produits de combustion qui sont encore à température élevée.

Pour ce qui est des risques d’inflammation, de déflagration ou de détonation que présente l’hydrogène, ils sont bien connus et, contrairement à ce qu’on pense souvent, l’H₂ ne pose pas de problèmes graves – moyennant certaines précautions qui s’imposent dans toute installation qui l’utilise –  car il ne s’accumule pas vers le sol (il est beaucoup moins dense que l’air), mais il faut éviter de laisser se former des mélanges explosifs en milieu confiné.

Pour obtenir du travail ou de l’énergie mécanique, on peut aussi brûler de l’hydrogène dans un moteur à piston, une turbine à gaz, ou un turboréacteur ou un moteur-fusée qui poussent par réaction. Cela n’est courant que pour un moteur-fusée, mais cela ne pose pas de grandes difficultés techniques pour les autres, et permet de diminuer beaucoup les polluants émis. On est alors tenu par le rendement de Carnot, très restrictif, en plus des transferts de chaleur (irréversibles) mentionnés plus haut.

Une façon plus efficace d’utiliser l’hydrogène consiste à obtenir directement de l’électricité qu’on transforme ensuite en travail avec un moteur électrique, avec un excellent rendement, bien meilleur que celui des machines thermiques. Cela se fait avec une “pile à combustible”, dispositif inverse de l’électrolyseur[15]. La technologie a évolué depuis la mission Apollo, il y a plusieurs compagnies qui l’ont améliorée, par exemple Air Liquide[16] pour des usages fixes, Toyota pour l’automobile. Du temps du programme Apollo, la “pile” était une cellule électrochimique fonctionnant à une température inférieure à 90 °C, avec un rendement de 50% environ. Ce rendement, tout comme pour l’électrolyse de l’eau, n’a rien à voir avec celui de Carnot.

Les piles plus modernes sont à membranes échangeuses de protons (cf. §2) qui peuvent fournir jusqu’à plusieurs centaines de kW, avec un rendement énergétique de 50% ou un peu plus. Celles à acide phosphorique fonctionnent à 200 °C, et il y en a qui donnent plusieurs mégawatts avec un rendement de 60%. Les piles à carbonates fondus et à oxydes solides fonctionnent à 600 °C ou plus, avec un rendement allant jusqu’à 80%. Monter en température diminue aussi le besoin de catalyseurs qui sont des métaux rares (platine, ou terres rares). Puisque la pile à combustible utilise l’effet inverse de l’électrolyse, toutes les améliorations faites pour l’électrolyse peuvent être aussi utilisées[17]. C’est un domaine en évolution qui fait l’objet de recherches un peu partout, notamment au CNRS.

4. Stockage et distribution de H₂.

Le problème de stockage est de minimiser le volume, e qui entraîne à augmenter sa pression ou le liquéfier. On peut utiliser un réseau de pipelines, comme pour le gaz naturel, pour le transport ou le stockage (à des pressions qui restent faibles, quelques dizaines de bars ; il y a déjà en Europe un réseau de 1600 km pour l’H₂).

On étudie aussi actuellement le stockage de H₂ dans des solides dans lesquels il forme des hydrures, par exemple du MgH₂ (106 kg de H₂ par m³ de solide) ou du Mg₂FeH₆ (150 kg par m³), sous haute pression et haute température (10 bars, 350 < T < 400 °C pour MgH₂, à plus haute température pour le Mg₂FeH₆). H₂ pénètre réversiblement dans le solide si on augmente sa pression au dessus d’une valeur critique, et en sort si la pression passe en dessous. L’absorption étant exothermique et la désorption endothermique, il est souhaitable d’associer à ce dispositif un système de stockage de la chaleur. Dans le cas de l’hydrure de magnésium, si on laissait perdre la chaleur dégagée lors de l’absorption, le chauffage requis pour la désorption demanderait une énergie proche de 30% de l’énergie du H₂ stocké. Comme le débit dégagé, c’est-à-dire la masse ou le volume de gaz libéré par unité de temps, est proportionnel à la surface du solide qui contribue à l’adsorption, on a donc intérêt à l’avoir grande par unité de volume du dispositif. Le CNRS étudie le stockage solide de H2 depuis plusieurs années (GDR ‘PACS’ directeur Gérald Pourcelly)[18], la société française MacPHyEnergy propose un réservoir à galettes solides (environ 50 cm de diamètre et 2 cm de haut), associé à une pile à combustible. Mahytec, associée à l’Université de Franche-Comté, propose des systèmes qui effectuent l’hydruration d’alliages métalliques tels que FeTi[19] sous forme de poudre, moins efficaces en terme de poids, mais qui peuvent être segmentés en petits modules d’usage  plus souple. D’autres matériaux sont considérés par l’industrie pour stocker H₂, notamment sous forme d’ammoniac (NH₃) ou de borohydrures alcalins (KBH₄)[20]^,[21].

De toute façon, avec ces systèmes, on ne peut stocker que quelques % de la masse du réservoir, 7,6% pour MgH₂, tandis que lorsque l’hydrogène est stocké sous pression à 700 bars on est à 6% du poids du réservoir. Ceci reste négatif pour les transports.

5. H2 et transports.

De nombreux constructeurs d’automobiles ont réalisé des projets de véhicules à hydrogène, tous avec une pile à combustible et de l’hydrogène comprimé. À la pression de 700bars, on peut stocker 5 kg d’hydrogène dans un réservoir de 125 litres. Cette technologie permet de stocker la quantité d’hydrogène nécessaire à une voiture à pile à combustible pour parcourir de l’ordre de 500 km entre chaque plein. Il n’existe pas encore de réseau de distribution dense de H₂, ce qui limite sérieusement la vente des voitures (en plus du prix), mais cette difficulté n’existe pas pour les flottes de bus ou de véhicules de livraison « captifs ». Dans de très nombreux pays au monde des programmes de construction de bus à hydrogène (et à pile à combustible) on été mis en place, en France aussi[22]. L’entreprise Alstom, depuis 2014, améliore des trains à l’hydrogène (avec pile à combustible), et en a livré plusieurs fois en Allemagne pour utilisation dans divers Länder[23]. Depuis 2000, des scooters à pile à combustible (à H₂₎ ont été présentés par divers constructeurs en Europe. Aujourd’hui, l’entreprise française ‘Pragma Industries’, à Biarritz, à mis en vente des bicyclettes à pile à combustible, 60 ont été vendues (en particulier à la région du Pays basque). Leur réservoir d’H₂ est une bouteille d’environ 2 litres qui en contient 42 g sous une pression de 300 bars, qu’on peut remplir en 2 minutes, ce qui donne à la bicyclette une autonomie de l’ordre de 120 km. Pour le moment, elles sont utilisées par des entreprises (leur coût est 3000 euros environ) qui ont des sites de recharge.

6. H₂ pour le stockage fixe d’énergie électrique.

Le stockage d’électricité grâce à l’hydrogène pourrait être très intéressant pour les systèmes de production « intermittents ». On considère comme une solution valable un système comprenant une cellule à électrolyse associée à un stockage de l’hydrogène et de l’oxygène générés et à une pile à combustible. C’est cette dernière qui redonne l’eau nécessaire à l’électrolyse, il n’y a donc finalement qu’un besoin très réduit d’eau. Le rendement énergétique est actuellement de l’ordre de 60%, inférieur à celui des accumulateurs, mais la durée de vie du stockage peut être longue, de l’ordre d’un ou plusieurs mois. De plus, le potentiel d’amélioration est fort pour les électrolyseurs autant que pour les piles (voir §2 et 3).

En France, une plateforme d’essai a été construite en Corse en 2012 (à Vignola, Univ. de Corte, CNRS), avec le soutien de l’EDF, de 3000 m₂ de capteurs photovoltaïques, stockant 90

m³ d’hydrogène sous 53 bars, qui est la pression de fonctionnement de l’électrolyseur et de la pile, soit 280 kg environ.  Elle a été raccordée au réseau EDF en 2012, et y est toujours[24]. Les contraintes du volume ou de la masse ne jouent pas ici pour le stockage de H₂, il n’y a pas lieu de comprimer plus H₂.

Il est possible de concevoir de tels « modules de stockage » de tailles différentes, les plus petits étant liés à une habitation ou un village isolés,  les plus gros à des groupements de capteurs photovoltaïques, ou éoliennes, qui sont reliés au réseau général (et dans ce cas c’est celui-ci qui gère leur fonctionnement)[25].

[1] Depuis une vingtaine d’années, dans les livres de cours, on nomme dihydrogène la molécule H₂, mais l’ancien nom « hydrogène » est encore très largement utilisé (en particulier dans le milieu technique et c’est ce que nous ferons ici.

[2]https://fr.wikipedia.org/wiki/Densité_d%27énergie

Il s’ensuit que 1 kg d’hydrogène permet de parcourir, en première approximation, une soixantaine de kilomètres avec une voiture ‘ordinaire’ équipée d’une pile à combustible (voir § 4 plus loin).

[3] On peut dire aussi que l’énergie n’est pas emmagasinée dans l’hydrogène, mais qu’elle est libérée lors de sa combustion. 

[4] https://www.ifpenergiesnouvelles.fr/enjeux-et-prospective/decryptages/energies-renouvelables/tout-savoir-lhydrogene. Le pourcentage de H₂ produit aujourd’hui par électrolyse augmente pour approcher 10 %.  

[5] Le pouvoir calorifique d’une matière combustible est l’énergie dégagée sous forme de chaleur lors de la combustion de 1 kg de cette matière dans l’oxygène. Il est dit ‘supérieur’ lorsqu’il inclut l’énergie résultant de la condensation de l’eau produite par la combustion.

[6] Les machines thermiques réelles (moteurs à pistons, turbines à gaz…) ont un rendement limité par celui du ‘cycle de Carnot’ et est souvent bien inférieur (plus bas que 50%) du fait que le cycle suivi par une machine réelle est toujours irréversible.

[7] https://www.france-hydrogene.org/fiches-techniques/     pour l’électrolyse, voir la fiche 3.2.1, sur la seconde page 

 https://s3.production.france-hydrogene.org/uploads/sites/4/2021/11/Fiche_203.2.1_20-_20Electrolyse_20de_20l_27eau_20rev_20Sept._202019-2_20ThA.pdf

[8]  https//www.blog.discoverthegreentech.com /electrolyse-haute-temperature-cea /

[9] https://news.stanford.edu/press/view/26790

[10] Voir Aurore Mansuy, Etude de la durabilité de cellules d’électrolyse de la vapeur d’eau à haute température : influence des paramètres de fonctionnement. Université Sciences et Technologies – Université de Bordeaux I, 2012

[11]  S. Tembhuene, F. Nandjou et Sophia Haussener, A thermally synergistic photo-electrochemical hydrogen generator operating under concentrated solar irradiation, Nature Energy, 4,399-407, 2019

[12] http://infoterre.brgm.fr/rapports/RP-53564-FR.pdf     

[13] Cette méthode consiste à appliquer une différence de potentiel de quelques volts à des électrodes plongeant dans le déchet à traiter  (cf. p 48 de la référence 11).

[14] https://www.record-net.org/storage/etudes/13-0239-1A/rapport/Rapport_record13-0239_1A-V2.pdf                   

[15] https://s3.production.france-hydrogene.org/uploads/sites/4/2021/11/Fiche_205.2.1_20-_20Les_20PAC_20-_20rev_20f_C3_A9vrier_202018_20ThA.pdf   on peut voir plus de détails dans les fiches suivantes, jusqu’à 5.2.6.

[16]https://energies.airliquide.com/fr/mediatheque-planete-hydrogene/applications-stationnaires

[17] https://www.usinenouvelle.com/editorial/la-pile-a-combustible-s-ameliore.N818230

[18] http://www2.cnrs.fr/sites/communique/fichier/gp_presentation.pdf

[19] https://cfm2019.sciencesconf.org/261506/document

[20] Andrieux Jérôme, thèse :  Stockage de l’hydrogene dans les borohydrures alcalins, Université Claude Bernard – Lyon I, 2009.

[21] Australia sees big opportunity in hydrogen energy, Physics Today, May 2019, p 28.

[22] https://s3.production.france-hydrogene.org/uploads/sites/4/2021/04/Fiche-9.2-Les-bus-H2-rev.-avril-2021-ThA.pdf

[23] https://s3.production.france-hydrogene.org/uploads/sites/4/2022/01/Fiche-9.4.5-Applications-ferroviaires-rev-janv.-2022-ThA.pdf

[24] https://s3.production.france-hydrogene.org/uploads/sites/4/2019/11/Fiche-9.3.1-Applis-stationnaires-industrielles-rev.-janv.-2022.pdf

[25] Voir aussi l’article « la production d’électricité à partir de l’énergie solaire » des Cahiers Rationalistes N°670, janvier-février 2021