Partout et nulle part à la fois, l’hydrogène abonde dans l’Univers et dans les médias, où il promet d’alimenter les piles à combustible des voitures de demain. Particulièrement réactif, il est quasi introuvable sur Terre à l’état moléculaire. Mais pouvant être isolé, stocké et transporté, l’hydrogène est en passe de devenir «le» vecteur énergétique propre de l’avenir.

Développement de nouveaux catalyseurs pour pile à combustible. © CNRS Photothèque/Emmanuel Perrin Nanocornets de carbone, formant des structures de 80 à 100 nm de diamètre, qui pourraient offrir une solution de stockage efficace et sûre de l’hydrogène. © CNRS Photothèque/Fabienne Warmont Grain d’hydrure (éponge à hydrogène) observé par microscopie à balayage, montrant la fracturation du composé intermétallique suite à l’insertion d’hydrogène. L’utilisation de ce matériau est étudiée dans l’élaboration du réservoir d’hydrogène des piles à combustible. © CNRS Photothèque/Jean-Marc Joubert Production d’hydrogène électrocatalysé par des complexes de cobalt. © CNRS Photothèque/Emmanuel Perrin

Avec un électron et un proton, l’hydrogène est l’élément chimique le plus simple et le plus abondant de l’Univers, dont on estime qu'il représente plus de 75% de la masse. Comme pour le Soleil, l’hydrogène est le composant essentiel de la plupart des étoiles. Il est d’ailleurs à l’origine de l’énergie que ces astres dégagent, générée par fusion thermonucléaire. Dans l’atmosphère, on trouve des traces de dihydrogène (H2), gaz diatomique inodore, incolore et insipide. Mais, très réactif, il s’associe vite avec d’autres éléments, pour former des composés tels que l’eau, le sucre, les protéines ou encore les hydrocarbures.

À l’heure actuelle, H2 est principalement utilisé dans l’industrie pétrochimique, notamment pour produire de l’ammoniaque. Mais on envisage à l’avenir de l’employer en tant que vecteur d’énergie, comme l’électricité. Avec un avantage énorme: il est plus facile à stocker.

Des piles qui font face

Pour sortir de l’ère des énergies fossiles, en particulier dans le domaine des transports, tous les regards se tournent vers la voiture électrique. Cependant, les accumulateurs conventionnels présentent des inconvénients de taille. Avec un encombrement non négligeable et une autonomie fort limitée, les batteries ont tendance à vieillir prématurément et leurs composants sont polluants, au niveau tant de leur fabrication que de leur recyclage Dans cette impasse, l’hydrogène ouvre une voie, celle de la pile à combustible (PAC). Celle-ci associe l’oxygène de l’air ambiant et l’hydrogène contenu dans un réservoir pour produire de l’électricité et de la chaleur, sans émettre de gaz à effet de serre, sans bruit, et avec pour seul déchet… un peu d’eau. Un «miracle» qui se produit dans la cellule électrochimique, où deux électrodes sont mises en contact avec un milieu conducteur d’ions, l’électrolyte.

L’oxygène, à la cathode, attire les atomes d’hydrogène situés à l’anode. Pour rejoindre l’O2, les atomes d’H2 doivent se diviser, car l’électrolyte bloque les électrons. Ces derniers passent donc dans un circuit extérieur, générant un courant, tandis que, de leur côté, les ions H+ traversent l’électrolyte et rejoignent l’oxygène. Très exothermique, cette réaction donne en outre un rendement énergétique allant jusqu’à 60% – contre 20% à 30% pour les moteurs à combustion classiques – et permet d’envisager une liste d’applications très attrayantes, en particulier pour l’automobile.

Découvert en 1839 par William R. Grove, le concept de la PAC dort dans ses tiroirs jusque dans les années ‘60, quand la NASA le récupère pour les programmes Gemini et  Apollo. Les perspectives se multiplient ensuite, et plusieurs variantes apparaissent, avec divers électrolytes, des températures de fonctionnement différentes, ou d’autres «combustibles» que l’hydrogène(1). Dans les années ’90, l’industrie automobile sort ses premiers prototypes performants. Leurs piles à membrane échangeuse de protons – PEMFC(2) – utilisent un catalyseur en platine, pour diminuer la température de la réaction aux environs de 80-100 °C. Actuellement, les chercheurs planchent aussi sur des matériaux de catalyse moins onéreux.

Mais la création d’une véritable filière hydrogène dans les transports fait face à de nombreux obstacles: le «carburant» des PAC n’existe pas tel quel sur la planète, contrairement au pétrole, et la réactivité de ce gaz volatil pose des problèmes de sécurité pour son stockage, son transport et sa distribution.

Le noeud de la production

Actuellement, la production d’hydrogène est assurée par ses principaux consommateurs, à savoir les raffineries pétrolières et les usines d’engrais. Elle s’appuie sur trois procédés de décomposition d’hydrocarbures: le vaporeformage, l’oxydation partielle et le reformage autotherme. Le vaporeformage se fonde sur la dissociation de molécules carbonées en présence de vapeur d’eau et de chaleur. Cette technique a un rendement énergétique intéressant de 40% mais elle est endothermique. L’oxydation partielle est une réaction de combustion d’hydrocarbures. Elle présente l’avantage d’être exothermique mais produit toutefois moins d’H2. Le reformage autotherme combine les deux procédés: la chaleur libérée par l’oxydation partielle est réintégrée dans le processus de vaporeformage pour en augmenter le rendement énergétique.

Dépendants des hydrocarbures de plus en plus rares, ces procédés dégagent de plus des gaz à effet de serre. Pour nous orienter dans une voie des transports propres et durables, il est donc crucial de faire appel à d’autres techniques de production d’hydrogène.

Hydro-alternative

L’hydrolyse – électrolyse de l’eau – est l’une d’entre elles. En soumettant la molécule H2O à un courant électrique continu, on isole ses composants H et O. Les éléments de base – l’eau et l’électricité – sont accessibles presque partout, du moins dans les pays industrialisés. Mais diviser à température ambiante l’une des molécules les plus stables nécessite beaucoup d’électricité. Si celle-ci vient des centrales conventionnelles, l’avantage écologique disparaît. Et d’un point de vue économique, la division n’est pas encore assez rentable par rapport aux réactions qui recourent aux hydrocarbures.

Sur ce plan, l’électrolyse de l’eau dite HTE (High-Temperature Electrolysis) – ou en phase vapeur – est plus intéressante. À haute température, la chaleur fournit une partie de l’énergie nécessaire à la réaction et le rendement énergétique s’avère meilleur. La HTE consomme moins d’électricité et présente de réels avantages économiques, pour autant que la chaleur provienne d’une ressource naturelle, comme le Soleil.

Le pari d’HydroSOL

Mais pourrait-on se passer totalement d’électricité pour produire de l’hydrogène? C’est le pari que la recherche européenne tente de relever depuis 2002, avec le projet HydroSOL, financé pour moitié par la Commission européenne et coordonné par le laboratoire grec des aérosols et des technologies des particules du CPERI/CERTH – Chemical Process Engineering Research Institute at the Centre for Research and Technology-Hellas –. Les chercheurs développent un réacteur thermochimique innovant, qui exploite uniquement l’énergie solaire pour produire de l’hydrogène. Un procédé récompensé par le prix Descartes 2007 et celui de la réalisation technique du Partenariat Inter - national pour l’Économie de l’Hydrogène – IPHE.

«Le concept théorique est très simple», explique Athanasios Konstandopoulos, coordinateur du projet et directeur du CERTH. «On concentre le rayonnement solaire pour chauffer l’eau, et la vapeur produite traverse le réacteur où l’hydrogène et l’oxygène sont séparés à haute température par oxydoréduction. L’intérêt économique est énorme: les réactifs sont peu onéreux et les régions ensoleillées pouvant accueillir les centrales solaires à tour – nécessaires à cette produc- tion propre d’H2 – coïncident souvent avec des zones de dépression économique».

Le réacteur est un monolithe en céramique réfractaire capable d’absorber le rayonnement solaire et d'atteindre une température de 1100°C. La vapeur traverse sa structure en nid d’abeilles percée d’une multitude d’étroits canaux. Ceux-ci sont recouverts de nanoparticules actives qui, en s’oxydant, piègent l’oxygène et laissent filtrer l’hydrogène. Dans un second temps, la chaleur solaire permet de libérer l’oxygène du nanomatériau pour le régénérer, ce qui permet d’entamer un nouveau cycle.

«Afin de tester le réacteur, nous l’avons intégré dans une petite centrale pilote à concentration solaire», explique Athanasios Konstandopoulos. Le dispositif a ainsi permis de produire de l’hydrogène en continu pendant deux jours, en 40 cycles. Fructueux, le projet se poursuit avec HydroSOL-2, lancé en 2005 toujours avec l’aide de la CE: l’inauguration d’une centrale de 100 kW est prévue le 31 mars 2008 sur le site de la Plate-forme Solaire d’Almerìa, en Espagne (ES). L’objectif est de réduire les coûts de production et d’arriver à un prix de vente de 6 eurocents/kWh. «Au bout de deux ans de recherches, nous devrions en plus concevoir, voire construire, une centrale d’essai d’1 MW de puissance, échelle qui intéresserait les investisseurs. Nous voulons produire de l’hydrogène en masse et à des coûts compétitifs d’ici 5 à 10 ans», commente le coordinateur.

H2 en stock

Le stockage et le transport freinent aussi l’arrivée de l’hydrogène. 14 fois plus léger que l’air, H2 renferme – à volume égal – plus de 2 fois l’énergie contenue dans le gaz naturel et presque 3 fois celle du pétrole. Mais l’image de l’incendie du zeppelin Hindenburg près de New York en 1937 nous le rappelle: ce gaz soulève des questions de sécurité, car il s’enflamme facilement en présence d’oxygène.

On peut comprimer l’hydrogène (250 à 700 bars) dans des bombonnes ou des réservoirs souterrains, ce qui est d’ailleurs la forme de stockage la plus fréquente. Mais mettre un gaz sous pression nécessite un apport énergétique et le volume des cuves reste trop important. La liquéfaction – à -253 °C, sous pression atmosphérique – apporte une solution à la question du volume de l’hydrogène, mais les techniques cryogéniques, également énergivores, exigent des matériaux de stockage hautement isolants, domaine dans lequel les composites, plus légers, supplantent de plus en plus l’acier.

Mais le stockage de l’hydrogène à l’avenir pourrait bien être solide: les ions d’hydrogène peuvent remplir les interstices d’alliages de métal léger, formant un hydrure. Cette réaction d’absorption étant exothermique, il faut ensuite chauffer le matériau-hôte pour libérer l’hydrogène. D.K.Ross, de l’Université de Salford (UK), coordonne le projet européen HyTRAIN(3), un réseau de formation où l’interdisciplinarité est mise à profit pour identifier les nouveaux matériaux candidats au stockage ainsi que leurs méthodes de synthèse. «Le stockage solide de l’hydrogène peut éviter les risques liés aux hautes pressions, si les réactions d’absorption/libération s’opèrent à une cadence acceptable ce qui est le cas à température modérée», précise-t-il.

Récemment, une équipe suisse-norvégienne, participant au projet HyTRAIN, a découvert une forme instable de LiBH4, qui pourrait représenter un candidat intéressant pour le stockage solide. «Toutefois, ces matériaux restent très difficiles à manipuler», tempère D.K. Ross. «Le projet ouvre aussi la voie aux concepts de réservoirs hybrides, qui combinent les méthodes du stockage solide et de gaz sous pression. Le potentiel du solide sera très large si l’économie de l’hydrogène décolle. Le stockage en gros de matériaux nano-structurés pourrait être utilisé, entre autres, dans des stations de ravitaillement.»

À quand l’économie de l’hydrogène ?

La recherche sur l’hydrogène et les PAC totalise 470 millions € dans le budget du PC7 2007- 2013. Selon plusieurs estimations, ce nouveau vecteur énergétique commencera à remplacer les hydrocarbures dans le transport et les applications stationnaires dès 2020. À cette date, l’Europe espère couvrir avec l’hydrogène 5% de ses besoins en énergie pour le secteur du transport. Un objectif qui semble relativement modeste. Mais peut-on accélérer sa mise en place? Depuis 2003, l’IPHE rassemble 17 gouvernements et la Commission européenne, précisément en vue de hâter la transition vers l’économie de l’hydrogène par une meilleure coordination des investissements.

Car l’hydrogène détient le potentiel requis pour répondre à nos besoins énergétiques. Cependant, les technologies et infrastructures nécessaires pour l’utiliser à grande échelle ne seront pas opérationnelles avant plusieurs décennies. Et dans un marché de l’énergie abritant de puissants intérêts, la filière hydrogène ne constitue pas forcément une priorité. En attendant, les moteurs thermiques continueront de tourner…

Delphine d’Hoop

>> Les autres dossiers sur l'énergie

Date de mise en ligne : 26/08/2008