eco-sceptique

On entend souvent que l'hydrogène représente la solution ultime en matière d'énergie propre.
La communication et le marketing sur le sujet sont prolixes et dithyrambiques. La première précision à apporter sur l'hydrogène c'est qu'il n'existe pas à l'état naturel sur terre et ne constitue pas une source d'énergie. Son utilisation notamment pour l'automobile se limite à celle d'un vecteur d'énergie. L'idée est donc de produire de l'hydrogène à partir d'une source d'énergie, cet hydrogène sera ensuite transporté puis stocké dans la voiture, laquelle transformera l'énergie contenue dans l'hydrogène en énergie mécanique pour avancer. Pour avoir une idée de la viabilité de cette technique il faut s'intéresser à l'état actuel de la technologie et ses perspectives, ainsi qu'au rendement de la filière.

Partons du début, c'est à dire de la production d'hydrogène. A l'heure actuelle, il existe plusieurs techniques permettant de produire de l'hydrogène. L'hydrogène peut être produit à partir d'hydrocarbures ou à partir d'eau. La production à partir d'hydrocarbures est polluante et la meilleure solution en terme de rendement et de coût consiste à utiliser le méthane ou gaz naturel. Le rendement de cette production est d'environ 80% (2). Les techniques à partir d'eau sont les suivantes :

-Production biologique par des algues
-Électrolyse à haute température
-Chimique (Aluminium)
-Photoélectrochimique
-Électrolyse

La production par les algues converti 7 à 10% de l'énergie en Hydrogène (2). Cette technique n'est pas encore au point et produit du méthane, du C02 et du sulfure d'hydrogène qui est polluant. De plus, cultiver des algues sous un soleil de plomb et sur de très grandes surfaces nécessite de telles quantités d'eau qu'une production à grande échelle me semble hors de propos. L'électrolyse à haute température ne fournit pas un rendement meilleur que l'électrolyse classique, elle est plus complexe et consomme plus de matériaux (3). La production chimique d'hydrogène se fait à partir d'aluminium, elle produit des déchets et est très coûteuse. On a la réaction suivante :

2Al + 6H₂O → 2Al(OH)₃ + 3H₂

La masse atomique de l'aluminium étant de 27g/mol (1 pour l'hydrogène), on peut calculer la masse d'hydrogène produite avec 1Kg d'aluminium :

1000/27 *3 = 111 g d'hydrogène.

Sachant que l'aluminium coûte environ 3$/Kg (2), cela donne 3/0,111 = 27$/Kg d'hydrogène ce qui constitue déjà un prix prohibitif par rapport à la production actuelle (2,7$/Kg,(2)).
L'utilisation de cellule photoélectrochimiques permet de produire de l'hydrogène avec l'énergie solaire mais cette technique n'est pas au point. La durée de vie est limitée à 260Heures à cause de la corrosion (1).
Nous avons rapidement passé en revue les différentes méthodes, les seules qui tirent leur épingle du jeu sont la production à partir du méthane et l'électrolyse de l'eau. La production à partir du méthane bénéficie d'un rendement élevé 80% mais rejette du C02 et surtout consomme du gaz naturel qui est considéré comme une énergie fossile.
L'électrolyse de l'eau a un rendement moindre de l'ordre (80% maximum théorique, pratique = 70%) mais elle utilise de l'électricité qui n'est pas une source primaire d'énergie.



Une fois l'hydrogène produit, celui-ci est transporté, stocké puis, utilisé dans une pile à combustible pour produire de l'électricité permettant d'alimenter une traction électrique. Le transport de l'hydrogène consiste en fait à le compresser dans des gazoducs. La dépense en énergie lors de cette étape ne dépend que du volume du gaz. Or, l'hydrogène ne contient que 3kwh par m^3 tandis que le gaz naturel en contient 9,89Kwh, soit un rapport de 9.89/3 = 3,3 (6) . Il y est donc trois fois plus coûteux en énergie de transporter l'énergie sous forme d'hydrogène que de gaz naturel. Aujourd'hui, deux modes de stockage sont possibles pour les voitures, le stockage sous forme liquide à basse température et le stockage sous pression dans des bouteilles. Le stockage sous forme liquide consomme beaucoup d'énergie car il faut refroidir le gaz, de plus il souffre de pertes importantes par vaporisation du gaz. Le stockage sous pression demande de l'énergie pour compresser le gaz.
A 350bar (1 bar de pression initiale), la dépense énergétique est de 340Kwh/m^3, pour une énergie stockée de 932Kwh (7) soit 340/932 = 36.4%. Cette compression se fait en générale en plusieurs étapes. L'hydrogène stocké dans le réservoir du véhicule proviendra d'un circuit de distribution déjà sous pression. A cette perte, s'ajoute les fuites d'hydrogène qui sont importantes. Faisons des bilans énergétiques :


Production du gaz -> transport(90%) -> Production d'hydrogène(80%) -> transport+stockage(100-34.4=63.6%)
->Pile (40%) -> électronique de puissance (99% (5)) -> moteur(95% (5)) -> transmission (85% (5))

Nous avons donc :

0.9*0.8*0.636*0.4*0.99*0.95*085 = 14,64%

Ceci sans tenir compte des fuites mais aussi de la purification de l'hydrogène.
En effet, pour éviter la corrosion, il faut purifier l'hydrogène produit à partir du gaz. Le rendement global est alors en fait d'environ 10% .
Dans le cas d'une production par électrolyse, il faut partir du rendement de la production d'électricité 46,3% donné par (5), puis l'électrolyse avec un rendement de 70%, les autres étapes sont les mêmes :

0.463*0.7*0.636*0.4*0.99*0.95*0.85 = 6,6%

Toujours sans tenir compte des fuites.

On peut se demander quel est l'intérêt de produire l'hydrogène à partir du gaz plutôt que d'utiliser directement le gaz dans les voitures. Cela évite beaucoup d'étapes qui sont coûteuses en énergie et aussi financièrement mais aussi dangereuses car l'hydrogène est très inflammable, volatile et, il fuit très facilement. La seule production qui puisse être indépendante des énergies fossiles est celle par électrolyse mais le rendement énergétique global est encore plus bas.

Les piles à combustible restent très coûteuses et peu sûres,  ainsi que les techniques de stockage. Résoudre les problèmes de sécurité liés à la manipulation de l'hydrogène semble hors de portée (8) pour ne pas dire utopique.
Une solution pour réduire le prix consiste à se passer de pile à combustible en utilisant l'hydrogène dans un moteur à combustion. Malheureusement cette solution fait baisser le rendement car le rendement du moteur est bien inférieur à celui de la PAC, on arrive à un rendement d'environ 3%, ce qui est très très faible pour ne pas dire autre chose. De plus, il nécessite d'utiliser de grosses cylindrées ce qui augmente le poids du véhicule.

Si on fait un bilan rapide, la filière hydrogène représente une solution très coûteuse (production, stockage, transport, gestion des risques), très dangereuse et a un rendement faible voir très faible. Ceci constaté on peut se demander pourquoi cette solution est présentée comme une solution d'avenir par nombre de médias mais aussi par les constructeurs automobile. La solution qui a le coût de reviens le plus bas et un rendement non catastrophique consiste à produire l'hydrogène à partir du gaz naturel. Bâtir une filière hydrogène dédiée à une classe d'utilisateurs fortunés permettrais de trouver un débouché à la surproduction de gaz naturel à un prix de vente élevé. C'est à mon avis le premier intérêt possible à long terme qui existe aujourd'hui pour cette filière. Le second réside dans l'image de marque tournée vers l'écologie que cela procure aux entreprises concernées. En réponse au titre de cet article, nous pouvons dire que la filière hydrogène tient plus du mythe que de la réalité.

Pour toute question ou remarque, vous pouvez utiliser les commentaires.





Références :


(1) Cellule photoélectrochimiques

(2) Production d'hydrogène

(3) Electrolyse à haute température

(4) Etude de la filière hydrogène

(5) Filières électrique et thermique : rendements

(6) Pile à combistible sur manicore

(7) Etude sur l'hydrogène

(8) Rapport sur le véhicule de demain