Hydrogène : mythe ou réalité?

Publié le par _Ulysse_

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










Publié dans Transport

Pour être informé des derniers articles, inscrivez vous :

Commenter cet article

David 28/05/2013 16:43


Pour les hydrures, c'est en cours d'industrialisation... (McPhy énergies)

Installateur photovoltïque 21/03/2011 13:49



@Nicolas, évidemment votre rêve peut bien se réaliser dans un futur plus ou moins proche avec des recherches très avancées sur l'énergie photovoltaïque



_Ulysse_ 02/04/2010 14:25



Bonjour Jean Paul et bienvenue sur mon blog!


Merci pour votre commentaire. J'ai déjà lu des choses sur les hydrures métaliques pour le sotckage mais il me semble que cela est encore au stade expérimental.


Si vous avez des informations à me faire partager sur ce sujet je suis preneur.Désolé si la conlusion de l'article est un peu directe. J'ai considéré les solutions techniques dont on peut
disposer aujourd'hui à grande échelle et  à un coût raisonnable. Même si je ne peux présager de ce qu'il existera dans ce domaine dans 20, 30 ou 50 ans cela donne une idée des obstacles qui
reste à franchir.


 


Cordialement,


 


_Ulysse_


 


 



Jean Paul Rebouillat 02/04/2010 10:25



Bonjour, la solution au stockage de l'hydrogène est à chercher dans les hydrures métalliques: on met plus d'hydrogène dans un litre d'hydrure que dans le même volume sous forme liqide! En partant
d'une poudre métallique recouverte d'une nanocouche de catalyseur, la pression necessaire pour faire rentrer l'hydrogène dans le reservoir de stockage est considérablement réduite. Il faut
ensuite chauffer pour faire désorber l'hydrogène. Les calculs simplistes présentés ici, ne peuvent que décourager. Facile d'être sceptique. Attention, on ne peut pas prétendre tout comprendre
même avec une formation de haut niveau. Chaque domaine de recherche nécessite des années d'études bibliographiques. Un bon scientifique reste modeste et ne se permet pas d'émettre un jugement sur
une discipline qu'il ne connait pas.



_Ulysse_ 03/03/2010 10:41


Bonjour Nicolas et bienvenue sur mon blog!

Effectivement si on électrolyse l'eau avec une source renouvelable on augmente le rendement de la filière. L'électricité produite par un panneau solaire ou une éolienne étant une énergie primaire
on compte 100% de rendement. C'est une manière de tenir en compte le fait que le soleil et le vent sont gratuits.

Le souci c'est que ce gain en rendement est valable pour tout ce qui consomme de l'électricité. Si la voiture à hydrogène voit son rendement un peu plus que doubler, il en va de même pour la
voiture électrique ou pneumatique.

Concernant le train, il y a un pb de gestion du réseau on ne peut pas se permettre d'avoir des trains en rade au milieu des voies sinon c'est tout le trafic qui est bloqué.

Cordialement,

_Ulysse_