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Qu'est-ce que l'hydrogène ? - C'est Pas Sorcier

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Infographies

L'utilisation de l'hydrogène en tant que vecteur d'énergie est, de l'avis de nombreux experts, susceptible d'ouvrir de larges perspectives dans le monde de l'énergie. La pile à combustible, qui produit de l'électricité en étant alimentée par un combustible comme l'hydrogène, est à la base de ces techniques d'avenir. Comment fonctionne-t-elle ? (Une animation de 1'04).

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La pile à combustible, la voie pour une " révolution de l'hydrogène "

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Infographies L'utilisation de l'hydrogène en tant que vecteur d'énergie est, de l'avis de nombreux experts, susceptible d'ouvrir de larges perspectives dans le monde de l'énergie. La pile à combustible, qui produit de l'électricité en étant alimentée par un combustible comme l'hydrogène, est à la base de ces techniques d'avenir.

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https://www.h2sys.fr/fr/technologies/pile-a-combustible/

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Comment fonctionne une pile à combustible - Arte

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Une pile à combustible (PAC) permet de convertir directement de l'énergie chimique de combustion (oxydo-réduction) en énergie électrique, en chaleur et en eau.

Le cœur d'une PAC est constitué de trois éléments, dont deux électrodes : une anode oxydante (émettrice d'électrons); une cathode réductrice (collectrice d'électrons) séparées par un électrolyte.

L'électrolyte a la propriété de conduire directement d'une électrode à l'autre des molécules ionisées et de faire barrage aux électrons en les obligeant à passer par le circuit extérieur de la pile ou leur énergie électromotrice peut être exploitée.

L'alimentation d'une PAC se fait par injection continue de combustible à l'anode, généralement de l'hydrogène, et à la cathode, généralement le dioxygène (oxygène dans le langage courant) de l'air ou l'air lui même. Une énergie électrique continue est alors disponible aux bornes de la pile.

Dans le langage courant, les piles à combustible utilisant généralement l'hydrogène ou un combustible hydrogéné sont appelées " piles à hydrogène ".

Les piles à combustible se différencient d'abord par la nature de leur électrolyte, soit acide conduisant les ions positifs (protons H⁺) de l'anode à la cathode, soit basique (anions OH⁻, O ²⁻, CO ₃ ²⁻) en sens contraire.

On distingue ainsi 6 types de piles à combustible :

Trois à électrolytes acides (ions H⁺ migrant de l'anode vers la cathode):

les PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell﻿). L'électrolyte est constitué d'une membrane solide polymère fonctionnant à basse température. (20-100°C). Celle-ci transmet sélectivement vers la cathode les ions H⁺ formés par oxydation catalytique de l'hydrogène injectée directement sur l'anode ;

les DMFC﻿ (Direct Methanol Fuel Cell﻿). Au lieu d'hydrogène, ces piles utilisent comme combustible le méthanol (CH₃OH). Injecté directement sur l'anode avec de l'eau son oxydation catalytique produit des ions H⁺ et du gaz carbonique. Comme sur les PEMFC﻿, une membrane solide polymère transmet sélectivement les H⁺ vers la cathode ;

les PAFC﻿ (Phosphorique Acid Fuel Cell﻿) utilisent à la place de membranes solides de l'acide phosphorique liquide occlus dans une matrice solide poreuse. Elles peuvent fonctionner jusqu'à 200°C.

Trois à électrolytes basiques (ions négatifs migrant de la cathode vers l'anode)

les AFC﻿ à potasse liquide (Alkaline Fuel Cell﻿) utilisent l'ion OH- libéré par réduction catalytique de cette base sur la cathode ;

les MCFC﻿ (Molten Carbonate Fuel Cell﻿) utilisent des carbonates de lithium et de potassium fondus pour faire migrer des ions CO₃ ²⁻ ;

les SOFC﻿ (Solid Oxyde Fuel Cell) exploitent un électrolyte solide (zircone dopé aux terres rares) pour produire des ions O²⁻.

les transports : voitures électriques, bus, aéronefs ;

les appareils portables : ordinateurs, téléphones, DVD, etc ;

la production stationnaire d'électricité et la cogénération chaleur/électricité ;

la Défense (sous-marins) et l'espace.

Les piles à combustible se différencient aussi par leurs domaines d'application. Ce sont principalement :

Chaque domaine d'application exige des puissances électriques, des températures de fonctionnement, des modes d'alimentation en combustibles (hydrogène, méthanol, oxygène...) correspondant à un type de pile.

Les familles PEMFC, DMFC et AFC fonctionnent à basse température (20-100°C) et ont des puissances allant de quelques watts à la centaine de kilowatts. Elles conviennent donc plutôt aux applications portables et aux transports.

Les piles à acide phosphorique (PAFC) fonctionnent à moyenne température (200°C) dans une gamme de puissance 50-200 kW. Modulaires, elles peuvent être assemblées en générateurs stationnaires de 10 MW (Toshiba, Fuji) pour des emplois de secours et d'appoint.

Les piles fonctionnant à haute température, MCFC (650°C) et SOFC (800-1000°C) ont des rendements électriques élevés. Elles sont adaptées à la production massive d'électricité et à sa cogénération avec la chaleur pour l'industrie et l'habitat. Les puissances fournies sont de l'ordre de 100 MW. Les SOFC peuvent être alimentées avec de nombreux combustibles.

Les filières PEMFC et SOFC se distinguent par l'étendue des applications qu'elles peuvent couvrir. Elles font l'objet des efforts de R&D les plus intenses.

à l'anode : oxydation catalytique, en présence de platine, de l'hydrogène qui se dissocie de ses électrons :

à la cathode : réduction catalytique, en présence de platine, de l'oxygène qui capture les ions H⁺ qui ont traversé la membrane électrolyte et les électrons arrivant du circuit extérieur. La réaction produit de la chaleur et de l'eau :
→﻿ H₂O + Q (chaleur)

Dans le cœur d'une pile à hydrogène du type PEMFC à membrane solide acide, deux réactions électrochimiques se produisent successivement :

Fonctionnement d'une pile PEMFC (acide) ﻿©Connaissance des Énergies

Dans le cœur d'une pile à électrolyte basique comme les SOFC, ces réactions deviennent :

Fonctionnement d'une pile SOFC (basique) ©Connaissance des Énergies﻿

Dans les deux cas, les électrons sont libérés sur l'anode puis, bloqués par l'électrolyte, passent par le circuit extérieur de la pile et fournissent de l'énergie électrique (force électromotrice) avant de se recombiner sur la cathode avec l'oxygène.

Le rôle du catalyseur dans l'oxydation de l'hydrogène à l'anode et de la réduction de l'oxygène à la cathode est essentiel dans le rendement de la pile. On utilise encore aujourd'hui principalement le platine, qui est déposé en couches minces sur la surface des deux électrodes, mais en plus grande quantité sur la cathode, la réaction de réduction y étant plus difficile à catalyser. Or le platine est un métal rare, très coûteux, qui pèse lourdement sur la compétitivité des piles à combustible actuelles. Des nanomatériaux catalytiques sont activement étudiés pour surmonter cet obstacle majeur.

Depuis plusieurs décennies, les PAC sont régulièrement présentées comme la solution pour produire de l'énergie électrique. De rendements élevés, silencieuses, modulaires, sans pièce mobile, couvrant une large étendue de températures et d'applications, les PAC ont de sérieux atouts auxquels s'ajoute la protection de l'environnement puisqu'elles ne produisent que de la chaleur et de l'eau.

Mais c'est oublier qu'aujourd'hui l'hydrogène, combustible des PAC, est produit à 95% à partir du reformage de combustibles fossiles avec émission massive de CO ₂. C'est donc dans la production " propre ou décarbonée " d'hydrogène que réside un élément exogène majeur conditionnant un développement massif des PAC.

Au-delà, il restera l'obstacle endogène essentiel, le coût des technologies des PAC actuelles. Les membranes (par exemple la pile Nafion de DuPont de Nemours) incorporent des composants fluorés relativement onéreux. Il en est de même du platine, sur les électrodes. En définitive, des progrès très importants dans la maîtrise des coûts des matériaux des cœurs de piles sont indispensables pour que les PAC constituent enfin une solution compétitive pour produire de l'électricité courante.

Développées dès 1950 pour les programmes spatiaux de la NASA et les sous-marins classiques, les piles alcalines AFC﻿ ont été ensuite développées en série pour des véhicules spéciaux (taxis, golf, nettoyage urbain, etc.). Quelques entreprises les commercialisent (Zeste Power Corp., Astis Inc, Apollo Energy Systems, etc.). Ces piles restent coûteuses et difficiles à entretenir.

Toutes les autres familles de piles sont encore au stade des laboratoires, des prototypes et des démonstrateurs. L'effort principal porte aujourd'hui sur les PEMFC et les SOFC.

Les PEMFC sont activement étudiées pour les véhicules électriques et pour les applications liées à l'électronique nomade. Les principaux acteurs sont les constructeurs automobiles : General Motors, Mercedes, Nissan et Toyota, Renault et PSA mènent des recherches à la fois intenses et secrètes, à la mesure de l'enjeu. PSA est engagé depuis 2006 dans un partenariat avec le CEA pour développer GENEPAC, pile PEMFC de 80 kW, en cours d'intégration sur un ZEV expérimental (Zéro Emission Véhicule). On peut également citer la société BIC qui développe un système innovant sur des PEMFC de très faible puissance (<100 W).

La principale application des piles de type SOFC est la cogénération d'électricité et de chaleur. Les principaux acteurs intéressés par ce type de pile sont donc des industriels de ce domaine. On peut citer UTC Fuel Cella, Siemens-Westinghouse, Rolls-Royce. De manière plus marginale, l'équipementier automobile Delphi s'intéresse à cette technologie pour le secteur automobile afin d'alimenter des auxiliaires de bord en complément d'une pile de type PEMFC.

Par ailleurs, il existe des entreprises spécialisées dans les piles à hydrogène. On peut par exemple citer Ballard (Canada), ou Axène (filiale d'Air Liquide) et Hélion (filiale d'Areva-TA) en France﻿. Il existe également de nombreuses entreprises fabriquant des matériaux de piles de type PEMFC. Les États-Unis sont leaders avec 3M (électrodes) et Dupont de Nemours qui fournit actuellement le Nafion, meilleure membrane sur le marché.

Mis à part ces acteurs industriels, de nombreux organismes de recherche étudient les PAC grâce au soutien de financements publics en Europe (Union européenne), au Japon (NEDO, New Energie and Industrial Technology Développement Organisation), aux États-Unis (DOE, Département Of Energy). En France, le CEA est particulièrement actif pour introduire les nanotechnologies dans le cœur des PAC.

1838 : C.F. Schönbein découvre le principe de la pile à combustible : il réalise l'électrolyse de l'eau (grâce à un courant électrique il obtient de l'hydrogène et de l'oxygène) mais s'aperçoit qu'en coupant le courant, ces gaz donnaient lieu à un courant électrique inverse au premier.

1839 : W.R. Grove réalise la première pile à hydrogène en laboratoire.

1939-1953 : les travaux de Francis T. Bacon permettent la mise en place d'un premier prototype industriel de puissance (de l'ordre du kW).

1960 : la NASA sort la pile à hydrogène de l'oubli en l'utilisant pour alimenter ses véhicules spatiaux.

1973 : suite au premier choc pétrolier, il apparait indispensable d'être énergétiquement indépendant. Les recherches sur les piles à combustible reprennent de manière plus importante aux Etats-Unis, au Japon et en Europe grâce à cette prise de conscience.

Années 1980 : en raison des coûts rédhibitoires des catalyseurs et des membranes, l'élan des recherches sur les PAC est freiné.

Années 1990 : l'aggravation des problèmes environnementaux (notamment le réchauffement climatique et la pollution atmosphérique) ainsi que les avancées technologiques entraînent un regain d'intérêt pour ces systèmes.

Actuellement la pile à hydrogène de type SOFC est prometteuse mais nécessite encore des développements. La température de fonctionnement de ce type de pile doit notamment être abaissée.

La pile à hydrogène de type PEMFC semble la plus proche d'un débouché sur un marché de masse (électronique et transports notamment). Toutefois, la plupart des piles de ce type sont encore au stade de démonstrateurs.

Pour espérer une commercialisation massive, le coût, le rendement et la compacité des PAC doivent encore être nettement améliorés. Or les matériaux actuellement utilisés s'usent trop rapidement par rapport à la durée d'utilisation prévue pour les piles à hydrogène (plusieurs milliers d'heures) et le coût du platine catalyseur est prohibitif. Alors que l'automobile exigerait des coûts inférieurs à 50 €/kW, le platine ne permet pas de descendre en dessous de plusieurs milliers d'euros/kW, la puissance moyenne visée pour un véhicule électrique étant de 80 kW.

Des véhicules équipés de piles à hydrogène sont actuellement en circulation mais il ne s'agit que de quelques centaines de véhicules destinées à fournir un retour d'expérience aux constructeurs automobiles. La date de commercialisation estimée varie selon les acteurs. General Motors, Toyota, Honda, Daimler et Hyundai prévoient une première commercialisation à l'horizon 2015.

Bien entendu, le développement des piles à combustible pour l'automobile ne pourra se faire sans une filière hydrogène, c'est-à-dire sans le développement de systèmes de stockage et de distribution fiable de ce gaz très léger, fuyant et explosif.

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Une pile à combustible (PAC) permet de convertir directement de l'énergie chimique de combustion (oxydo-réduction) en énergie électrique, en chaleur et en eau. Le cœur d'une PAC est constitué de trois éléments, dont deux électrodes : une anode oxydante (émettrice d'électrons); une cathode réductrice (collectrice d'électrons) séparées par un électrolyte.

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Le principe de fonctionnement de la pile à combustible repose sur l'oxydation d'un combustible (par exemple l'hydrogène) et la réduction d'un comburant (par exemple l'oxygène) aboutissant à la production simultanée d'eau, d'énergie électrique (W) et de chaleur (Q). Elle est constituée par deux électrodes (une anode émettrice d'électrons et une cathode réceptrice d'électrons), séparées par un électrolyte permettant le passage des ions. Une membrane évite la mise en contact des réactifs à l'anode et à la cathode.

À l'anode, on a donc une oxydation électrochimique de l'hydrogène : H₂ → 2H⁺ + 2e-

À la cathode, on observe la réduction de l'oxygène  1⁄2O₂ + 2H⁺ +2e- → H₂O

Le bilan global est alors : H₂ + 1/2 O₂ → H₂O

Selon les paramètres souhaités ou les applications, il existe différents types de piles à combustible utilisant des électrolytes et des électrodes de nature différente. La PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell, ou pile à membrane à échange de protons) est, par exemple, utilisée par tous les constructeurs automobiles car elle fonctionne à basse température et évite un chauffage préalable, permettant un démarrage rapide. Grâce à son électrolyte solide, elle a aussi une durée de vie plus longue (jusqu'à 100.000 heures) et elle est compacte, ce qui en fait également un candidat idéal pour l'électronique portable (téléphones, caméras, groupes électrogènes...). Son inconvénient : le platine, utilisé comme catalyseur aux électrodes, coûte très cher.

Plusieurs types de piles à combustible

Autre technologie, la MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell), dont l'électrolyte est constitué de sels fondus et qui utilise le nickel comme catalyseur, ou encore la SOFC (Solid Oxide Fuel Cell), avec un électrolyte en céramique et qui offre un excellent rendement, supérieur à 80 %. D'autres piles font l'objet de recherches mais n'en sont pas encore au stade industriel, comme les MFC (Microbial Fuel Cell), qui produisent de l'électricité par digestion de microbes lors du traitement des eaux usées. À noter que si l'hydrogène est le combustible le plus largement utilisé, il est parfaitement possible d'envisager une pile à combustible fonctionnant au méthane (Direct Methanol Fuel Cell﻿), à l'éthanol ou au gaz naturel.

Les applications de la pile à combustible

Les principaux domaines d'applications de la pile à combustible sont le transport (voitures, bus, bateaux...), l'électronique (micropiles à combustible), la production d'électricité ou encore l'espace (alimentation des satellites). Silencieuses, modulaires, sans rejet de CO₂ (pour les piles à hydrogène), les piles à combustible ont de sérieux atouts. Mais si l'hydrogène est produit avec des énergies fossiles (ce qui est encore aujourd'hui majoritairement le cas), le bénéfice environnemental est nul. En revanche, elle pourrait s'avérer très utile comme moyen de stockage et de production à partir des énergies intermittentes, en plein essor. Autres freins : le coût élevé du platine et les problèmes de sécurité (l'hydrogène est un gaz hautement inflammable et explosif en présence d'oxygène).

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FOCUS - Utilisé par des voitures, des bateaux ou des trains, l'hydrogène est souvent présenté comme un pilier de la transition énergétique mondiale. Le Figaro fait le point sur les avantages et les inconvénients de ce vecteur d'énergie.

Vélo, taxi, scooter, train, bateau... Chaque jour ou presque, un nouveau mode de transport équipé d'hydrogène fait parler de lui dans les médias. Plébiscité par les défenseurs de l'environnement et par de nombreux grands groupes, l'hydrogène est présenté comme l'énergie du futur. D'Engie à Total en passant par Air Liquide, Alstom, BMW ou General Motor, tous promettent d'investir dans cette source d'énergie devenue "vecteur incontournable de la transition énergétique", selon Benoît Potier, PDG d'Air Liquide et co-président de l'Hydrogen Council. Lancé début 2017 lors du sommet de Davos, ce groupe, qui réunit 18 multinationales, cherche à promouvoir le développement de l'hydrogène dans le monde. Mais pourquoi cet engouement? Le Figaro fait le point.

* Qu'est-ce que l'hydrogène?

L'hydrogène est l'élément chimique le plus abondant de l'univers. Il s'agit d'un corps simple, gazeux, qui entre notamment dans la composition de l'eau. "Chaque molécule d'eau est le fruit de la combinaison entre 1 atome d'oxygène et 2 atomes d'hydrogène. On trouve aussi de l'hydrogène dans les hydrocarbures (pétrole et gaz) qui sont issus de la combinaison d'atomes de carbone et d'hydrogène", explique l'IFP énergie nouvelle (IFPEN), sur son site. L'hydrogène n'est pas une source d'énergie directe mais plutôt un vecteur énergétique. Dans les transports il est par exemple utilisé dans une pile à combustible pour générer de l'énergie.

* Comment le fabrique-t-on?

L'hydrogène n'existe pas à l'état pur. Pour le produire, il faut utiliser des procédés chimiques pour séparer l'hydrogène des éléments auxquels il est associé. Il faut pour cela une source d'hydrogène et une source d'énergie. L'hydrogène peut ainsi être fabriqué par "vaporeformage de gaz naturel, électrolyse de l'eau, gazéification et pyrolyse de la biomasse, décomposition thermochimique ou photochimique de l'eau, production biologique à partir d'algues ou de bactéries", énumère l'Ademe, dans une note.

* Quels sont les avantages de l'hydrogène?

Comme le précise l'IFPEN, "la molécule d'hydrogène, composée de deux atomes d'hydrogène, est particulièrement énergétique: 1 kg d'hydrogène libère environ trois fois plus d'énergie qu'1 kg d'essence". De plus, l'hydrogène, lorsqu'il est produit à partir de ressources renouvelables, est considéré comme non polluant. "Les rejets d'un véhicule à hydrogène sont composés uniquement d'eau. Il n'y a aucune émission de particule nocive ou de Co²", affirme Erwin Penfornis. Autre avantage selon le spécialiste: "Avec l'hydrogène, il y a plus d'autonomie et c'est plus rapide à recharger. Il faut compter un temps de recharge d'environ 3 minutes dans une station de remplissage".

L'hydrogène est aussi considéré comme un moyen durable de stocker de l'énergie. "On peut stocker les surplus d'énergies renouvelables pour pouvoir les réutiliser plus tard, ce qui n'est pas possible avec l'électricité. C'est un enjeu énorme permettant d'intégrer plus de renouvelable dans la consommation énergétique", affirme Erwin Penfornis. "Des pays comme le Japon ont compris qu'ils allaient avoir besoin de ce vecteur énergétique qui peut être produit ailleurs, stocké et transporté par navire, camion ou par pipeline. C'est pour cela que le Japon est le pays le plus avancé dans ce secteur de l'hydrogène", explique-t-on chez Air Liquide. Le groupe vient d'ailleurs d'annoncer la création au printemps 2018 d'une société commune avec 10 sociétés japonaises pour accélérer le développement du réseau de stations de recharge d'hydrogène dans l'archipel. Objectif: déployer 160 stations hydrogène d'ici 2020.

* Quel est le potentiel économique et écologique de cette technologie?

Pour le moment, la consommation mondiale d'hydrogène reste encore faible: environ 56 millions de tonnes, soit moins de 2% de la consommation mondiale d'énergie. Mais d'après une étude récente réalisée par le Hydrogen Council avec McKinsey, l'hydrogène pourrait représenter près d'un cinquième de l'énergie totale consommée à l'horizon 2050. "Cela permettrait de contribuer à hauteur de 20% à la diminution requise pour limiter le réchauffement climatique à 2°C", explique l'Hydrogen Council, qui considère que l'hydrogène pourrait alimenter 10 à 15 millions de voitures et 500.000 camions d'ici à 2030. Selon cette étude, la demande annuelle d'hydrogène pourrait globalement être multipliée par dix d'ici à 2050 et représenter 18% de la demande énergétique finale totale dans le scénario des 2°C. À cet horizon, l'hydrogène pourrait générer un chiffre d'affaires de 2500 milliards de dollars et créer plus de 30 millions d'emplois.

* Comment l'hydrogène est-il utilisé aujourd'hui?

"Cette molécule est utilisée depuis longtemps dans l'industrie comme matière première. Air Liquide par exemple en fournit depuis 50 ans à des secteurs comme le raffinage, la chimie ou le domaine spatial. L'hydrogène est notamment le carburant de lancement de la fusée Ariane depuis des décennies", explique Erwin Penfornis, directeur du marché hydrogène chez Air Liquide. Mais son utilisation est très large. "L'hydrogène a la capacité d'alimenter tous les usages énergétiques comme le transport ou le chauffage", ajoute le spécialiste.

C'est surtout dans les transports que son usage évolue. "L'hydrogène, stocké dans des réservoirs, est transformé en électricité grâce à une pile à combustible", explique-t-on chez Air Liquide. Toyota et Hyundai commercialisent ainsi des véhicules utilisant ce procédé, la Mirai et la ix35. Honda ou encore Daimler sont aussi sur le coup. À Paris, des taxis développés par la start-up STEP roulent déjà à l'hydrogène. Soutenue par Air Liquide et le groupe ADP, la société va pouvoir profiter de la première station hydrogène publique installée en zone aéroportuaire en France, à Orly. Le département de la Manche est pionnier en la matière puisqu'en janvier 2015, il avait inauguré la première station publique d'hydrogène pour voitures de France. La collectivité possède aujourd'hui une flotte de 17 véhicules à hydrogène. Une station a également ouvert en juillet à Rouen. Elle alimente une dizaine de véhicules appartenant aux collectivités ou entreprises locales. La région Normandie projette l'ouverture de neuf autres stations en 2018. La ville de Pau, en partenariat avec Engie et le fabricant de bus Van Hool, va quant à elle faire rouler huit bus à hydrogène en 2019.

" LIRE AUSSI - La pile à combustible est-elle l'avenir de l'automobile?

À Saint-Lô, les premiers vélos électriques à hydrogène de France, conçus par Pragma Industries, une PME de Biarritz, ont été mis en service ce lundi. Des scooters à hydrogène ont aussi été présentés début décembre par la société suisse Aaqius, spécialisée dans les technologies vertes pour le transport. Ces scooters sont équipés d'une cartouche remplie d'hydrogène.

À l'étranger, la Chine a mis en service le premier tramway à hydrogène au monde en octobre, dans la ville de Tangshan.

Alstom, dont la branche ferroviaire est passée fin septembre sous contrôle de l'Allemand Siemens, va de son côté construire 14 trains fonctionnant à l'hydrogène pour l'Autorité locale des transports de Basse-Saxe en Allemagne. Ils devraient rouler en décembre 2021.

Un bateau à hydrogène, 100% autonome en énergie et baptisé Energy Observer, a été mis à l'eau en avril dernier. Fabriqué à Saint-Malo et imaginé par les navigateurs Victorien Erussard et Jérôme Delafosse, il est présenté comme "le premier navire au monde, capable de produire son propre hydrogène à bord". Il a entamé son tour du monde pour six ans cet été.

Le secteur aérien n'est pas en reste. Dès 2008, Boeing annonçait avoir fait voler un avion propulsé par une pile à hydrogène, assurant qu'il s'agissait d'une "première dans l'histoire de l'aviation". Depuis, plusieurs projets ont vu le jour. L'un des plus récents est porté par l'Onera, le centre français de recherche aérospatial. En juin dernier, au Bourget, ce dernier a présenté Ampere, un avion futuriste qui sera alimenté en électricité par dix piles à hydrogène.

* Quels sont les obstacles au développement de l'hydrogène?

Le processus de production de l'hydrogène pose pour l'instant problème puisqu'il est à la fois polluant et coûteux. À ce jour, 96% de l'hydrogène est produit à partir d'énergie fossile (pétrole, gaz naturel et charbon) car cette méthode est la plus rentable. "Les technologies sont prêtes pour être mises sur le marché mais il faut passer à des échelles de production importantes pour réduire les coûts", explique Erwin Penfornis . "On ne voit aucun frein pour arriver à un niveau de coût acceptable. Mais pour l'instant, il n'y a pas d'incitation financière pour développer des méthodes de production décarbonées", regrette le spécialiste.

"Le déploiement d'une filière hydrogène nécessite des investissements relativement lourds, tant pour la production, la distribution que le stockage de l'hydrogène: ceux-ci supposent un engagement d'acteurs industriels et une maîtrise du risque économique par le soutien des pouvoirs publics", confirme l'Ademe. Le Hydrogen Council chiffre ces besoins d'investissements entre 20 et 25 milliards de dollars par an, soit environ 280 milliards de dollars d'ici à 2030. À titre de comparaison, les pays investissent 650 milliards de dollars par an dans le pétrole et le gaz, rappelle-t-il.

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L'hydrogène est-il vraiment l'énergie du futur ?

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FOCUS - Utilisé par des voitures, des bateaux ou des trains, l'hydrogène est souvent présenté comme un pilier de la transition énergétique mondiale. Le Figaro fait le point sur les avantages et les inconvénients de ce vecteur d'énergie. Vélo, taxi, scooter, train, bateau...

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L'hydrogène est très abondant sur la Planète. Néanmoins pour l'utiliser il faut l'associer à d'autres éléments comme l'oxygène ou le carbone. Comment est-il utilisé dans les industries du raffinage ou de la chimie ? Et comment le produit-on puisqu'on ne le trouve pratiquement pas sous forme isolée ? Autant de questions auxquelles la vidéo répond de façon très simple. C'est " la minute du professeur Gruson " (saison 2), réalisée par IFP-Énergies nouvelles.

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L'hydrogène : à quoi sert-il ? Comment le produire ?

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L'hydrogène est très abondant sur la Planète. Néanmoins pour l'utiliser il faut l'associer à d'autres éléments comme l'oxygène ou le carbone. Comment est-il utilisé dans les industries du raffinage ou de la chimie ? Et comment le produit-on puisqu'on ne le trouve pratiquement pas sous forme isolée ?

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L'hydrogène, le carburant vert du futur - futuris

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H2SYS

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Parmi les lauréats de l'appel à projet " Territoires Hydrogène ", dont la liste a été publiée début novembre, plusieurs projets ont suscité l'intérêt de l'équipe d'H2SYS. La série d'article suivante vous présentera différents projets qui mettent en avant l'hydrogène et les piles à combustible dans la transition énergétique. Ce premier article présente le projet Atlantech, un éco-quartier dans un TEPOS associant énergies renouvelables hydrogène, maisons passives et service de flexibilité du réseau.

Atlantech - un éco-quartier valorisant combinant hydrogène et énergies renouvelables

Le projet Atlantech est porté par la communauté d'Agglomération de la Rochelle. Il s'agit d'un technopole bas carbone regroupant sites de recherche et de formation, habitat et activités économiques. Les bâtiments construits sur le technopole seront des bâtiments passifs, avec une performance énergétique de 20% supérieure à celle de la RT2012, et seront certifiés soit selon le référentiel du Passive House Institue, soit par celui de Bepos-effinergie. Le parc technologique du pôle Atlantech prévoit la mise en place d'un réseau de distribution électrique intelligent, permettant de mieux gérer production, stockage, délestage et consommation à l'échelle du quartier. Le projet prévoit la mise en place d'un acteur chargé de la surveillance de la consommation énergétique du quartier permettant d'ajuster en temps réel les paramètres et de limiter les pertes énergétiques. La démarche et le stockage sous forme d'hydrogène des surplus de production, et la valorisation locale pour alimenter des bus ou répondre aux surconsommations temporaires ont été valorisées dans cet appel à projets.

H2SYS - concepteur de groupes électrogène pile à combustible

H2SYS est une Spin-Off issue d'un laboratoire de recherche sur les systèmes pile à combustible. Elle conçoit des générateurs électriques et des groupes électrogènes utilisant des piles à combustible. Spécialiste des technologies de l'hydrogène, H2SYS vous informe des actualités du marché et des projets liés à l'hydrogène, en France et à l'étranger. Si vous êtes intéressé par l'utilisation de l'hydrogène pour alimenter vos appareils électriques, ou désirez des informations sur les technologies, vous pouvez contacter l'équipe en envoyant un message à l'adresse : info@h2sys.fr

A propos de l'appel à projet " Territoires Hydrogène "

Le 4 mai dernier, le Ministère de l'Environnement, de l'Energie et de la Mer lançait un appel à projets " Territoires Hydrogène " pour soutenir la filière et accélérer le déploiement de solution dans les régions. Cet appel à projet a remporté un immense succès avec une participation massive des industriels et des collectivités territoriales, avec plus d'une soixantaine de projets déposés et examinés par un comité d'évaluation pour l'obtention d'un Label sur près d'une centaine de territoires. Les 29 lauréats de cet appel à projet pourront bénéficier d'un accompagnement des financeurs publics (CGI, ADEME, BPI, Caisse des Dépôts et des Consignations, ...) pour faciliter l'accès aux dispositifs de soutien pour la réalisation du projet. Production d'hydrogène décarboné, stockage et valorisation locale, pile à combustible, ... l'ensemble de la filière est représentée dans ce panel de solutions mettant l'hydrogène au cœur de la transition énergétique.

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Energies renouvelables et hydrogène - projet Atlantech - H2sys

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🚗 VOITURES À HYDROGÈNE : Ce que l'on ne vous dit pas !

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Le groupe Alstom a lancé en septembre 2018 en Basse-Saxe (Allemagne) le premier train à hydrogène du monde, destiné à remplacer des locomotives diesel. Il est équipé de piles à combustible qui transforment en électricité de l'hydrogène stocké sur le toit. Le train abrite aussi des batteries lithium-ion pour stocker l'énergie récupérée pendant le freinage. Reportage à bord du Coradia iLint.

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Allemagne : à bord du premier train à hydrogène

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Le groupe Alstom a lancé en septembre 2018 en Basse-Saxe (Allemagne) le premier train à hydrogène du monde, destiné à remplacer des locomotives diesel. Il est équipé de piles à combustible qui transforment en électricité de l'hydrogène stocké sur le toit. Le train abrite aussi des batteries lithium-ion pour stocker l'énergie récupérée pendant le freinage.

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GRDF

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Des piles à combustible en résidentiel groupé : une première nationale !

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Dans le cadre d'un partenariat, Brest Métropole Habitat (BMH) et GRDF lancent plusieurs opérations innovantes au service de la transition énergétique. L'une d'entre elles consiste à installer 6 piles à combustible dans des maisons individuelles groupées.

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actu environnement

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Vingt-neuf projets mettant en œuvre le vecteur énergétique hydrogène dans les territoires ont été retenus le 3 novembre, dans le cadre de l' appel à projets lancé en mai 2016, porté par la Nouvelle France industrielle. Ces projets visent à démontrer, à l'échelle d'un territoire, la faisabilité technico-économique et l'intérêt environnemental du vecteur hydrogène, associés aux réseaux énergétiques et à des usages énergétiques locaux.

Selon le ministère de l'Environnement, les utilisations de l'hydrogène proposées "sont d'une grande diversité : développements technologiques, éco-quartier avec utilisation de l'hydrogène pour stockage stationnaire et mobilité, alimentation de secours pour des magasins de grande distribution, valorisation de gisement d'hydrogène fatal issu de process industriels, aéronautique, projets insulaires".

Parmi les lauréats, figure le projet " Hyway", coordonné par le pôle de compétitivité Tenerrdis, qui vise à déployer une flotte de véhicules utilitaires hybrides batteries / hydrogène en région Auvergne-Rhône-Alpes. Une seconde phase du projet, amorcée en 2016, prévoit de développer la production locale d'hydrogène à partir d'électricité renouvelable issue du territoire. Figure également le volet stationnaire du projet "Valhydate" situé sur le territoire industrialo-portuaire de Marseille Fos (plateforme PIICTO), labellisé par le pôle de compétitivité Capenergies. Ce projet de démonstration vise à valoriser l'hydrogène fatal produit par les industriels du site et l'hydrogène issu des énergies renouvelables.

Le projet "Cleargen" en Martinique est aussi retenu. En janvier dernier, une pile à combustible, d'une puissance d'un mégawatt fournie par Hydrogène de France (HDF), a ainsi été installée sur le site de la société anonyme de la raffinerie des Antilles (Sara) à Californie en Martinique. Cette pile, fabriquée par la société Solvay, est destinée à produire de l'électricité à partir de l'excédent d'hydrogène produit à la raffinerie. La région Normandie est également parmi les lauréats. Selon La Manche Libre, la région prévoit notamment de créer une société de projets pour la production, le conditionnement, le transport et la distribution d'hydrogène ainsi que pour l'exploitation et la maintenance des infrastructures. Ce projet est également porté par des industriels, le département de la Manche, la métropole Rouen Normandie et le syndicat départemental des énergies de la Manche.

Les 29 projets sélectionnés bénéficieront d'un accompagnement des financeurs publics (ministères en charge du développement durable et de l'industrie, Commissariat général à l'investissement (CGI), Ademe, BPI France, Caisse des Dépôts et Consignations) " pour mobiliser les dispositifs de soutien permettant de concrétiser leurs projets", a précisé le ministère de l'Environnement.

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29 projets labellisés "territoires hydrogènes"

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Vingt-neuf projets mettant en œuvre le vecteur énergétique hydrogène dans les territoires ont été retenus le 3 novembre, dans le cadre de l'appel à projets lancé en mai 2016, porté par la Nouvelle France industrielle. Ces projets visent à démontrer, ...

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Quelques images animées très simples expliquent le fonctionnement de la voiture à hydrogène. Dotée d'une pile à combustible qui produit de l'électricité pour alimenter le moteur, elle ne rejette que de l'eau. Mais encore faut-il que l'hydrogène soit fabriqué de façon " propre " ...

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Comment fonctionne la voiture à hydrogène ?

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Quelques images animées très simples expliquent le fonctionnement de la voiture à hydrogène. Dotée d'une pile à combustible qui produit de l'électricité pour alimenter le moteur, elle ne rejette que de l'eau. Mais encore faut-il que l'hydrogène soit fabriqué de façon " propre " ...

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hydrogène

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HYDROGENE : combustible du futur ? - C'est Pas Sorcier

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Sur Terre, l' hydrogèneL'hydrogène est l'atome le plus simple et le plus léger. C'est l'élément de très loin le plus abondant de l'univers. est associé dans la nature à beaucoup d'autres éléments : surtout à du carbone pour former le méthane (CH ₄) et à de l'oxygène pour constituer l'eau (H ₂ O). Pour obtenir de l'hydrogène pur pour les besoins industriels, il convient donc de le séparer des éléments chimiques auxquels il est lié.

On peut produire de l'hydrogène par électrolyse à partir de l'électricité renouvelable

Les sources de fabrication

Aujourd'hui, 95 % de l'hydrogène est fabriqué à partir de sources d'énergies fossiles (gaz naturel, pétrolePétrole non raffiné. ) et de bois. Il existe actuellement trois types de procédés de production :

Le procédé le plus courant de fabrication de l'hydrogène est le reformage (conversion de molécules à l'aide de réactions chimiques) du gaz naturel par de la vapeur d'eau surchauffée. On parle alors de vaporeformage. En présence de cette vapeur d'eau et de , les carbonés (C) du méthane (CH₄) se dissocient. Après deux réactions successives, ils se reforment séparément pour obtenir, d'un côté, du dihydrogène (H₂) et, de l'autre, du (). Cette opération nécessite donc le recours au gaz naturel.

Un autre procédé est la gazéification du ¹, composé principalement de carbone et d'eau. Brûlé dans un réacteur à très haute température (entre 1 200 et 1 500 °C), le bois libère des gaz qui vont alors se séparer et se reformer pour obtenir, d'un côté, du dihydrogène (H₂) et, de l'autre, du (CO).

L'hydrogène peut aussi être fabriqué à partir de l'électricité, par l'électrolyse de l'eau. Elle consiste, à l'aide d'un courant électrique, à décomposer l'eau (H₂O), en dioxygène (O₂), d'un côté, et en dihydrogène (H₂) de l'autre. Cette méthode est très loin d'avoir la compétitivité économique de la production à partir des sources fossiles. L'hydrogène produit aujourd'hui par vaporeformage du méthane coûte environ 1,5 €/kg d'H2 à la sortie de l'usine (hors coût de distribution), un prix de revient qui est d'ailleurs le triple de celui du gaz naturel. L'hydrogène issue de l'électrolyse revient aujourd'hui à un coût environ 4 fois supérieur, sans compter l'impact du prix de l'électricité.

La technique par électrolyse ne représente aujourd'hui en France que 1 % de l'hydrogène produit. Mais le développement des nouveaux usages de l'hydrogène-énergie, qui nécessitent un hydrogène plus pur, ouvre de vastes perspectives à cette technique. Des recherches sont menées pour diminuer le coût de production, notamment en recourant à une électrolyse à haute température (EHT), entre 700 et 800 °C.

Produire un hydrogène " propre "

Pour que le nouveau vecteur énergétique que pourrait constituer l'hydrogène se range du côté des " énergies vertes ", c'est-à-dire faiblement émettrices de gaz à effet de serrePhénomène naturel permettant un accroissement de la température de l'atmosphère d'une planète grâce à la présence de certains gaz... , il est essentiel que sa production soit la plus " propre " possible.

Le reformage peut certes être faiblement émetteur de gaz à effet de serre si on le couple à des procédés de capture et de stockage du CO ₂. Le coût s'en trouve bien sûr fortement augmenté.

La gazéification est un autre moyen car elle concerne toute la filière biomasseDans le domaine de l'énergie, la biomasse se définit par l'ensemble des matières organiques d'origine végétale ou animale... solide, c'est-à-dire les nombreuses matières organiques qui peuvent être brûlées pour dégager du biogazLe biogaz est l'un des produits de la méthanisation (digestion anaérobie) de déchets d'origine biologique... . Si le bois (via le charbon de bois) est le principal concerné, des déchets végétaux, comme la paille, peuvent donner satisfaction. En reconstituant la biomasse au fur et à mesure, on obtient un bilan faible en termes d'émissions de CO 2.

Quant à l'électrolyse, elle conduit aussi à un hydrogène propre si l'on utilise de l'électricité " verte ". Mais pour surmonter la question de la compétitivité, il faut pouvoir disposer de grandes quantités d'électricité, tout au long de l'année, à des prix très bas. Des prototypes sont à l'étude, notamment en Allemagne, pour utiliser les pics de production intermittents de l'éolien et du solaire. Mais la question du coût de cette production électrolytique reste pour l'instant un obstacle.

95 % de l'hydrogène est fabriqué aujourd'hui à partir d'énergies fossiles

D'autres procédés de production d'hydrogène sont également à l'étude² :

certains microbes modifiés peuvent produire de l'hydrogène sous l'effet de la lumière du Soleil (microbes photosynthétiques) ;

immergée dans l'eau, une cellule photoélectrochimique (composant électronique qui décompose l'eau sous l'effet de la lumière solaire) peut produire des bulles d'hydrogène et d'oxygène. On parle alors de photoélectrolyse ;

la décomposition thermochimique de l'eau : portée à haute température (800 / 1 000°C), la de l'eau se décompose et libère de l'hydrogène. L'inconvénient de cette méthode exige le recours à l'énergie nucléaire pour chauffer l'eau : les investissements sont lourds et la production dépend des stocks d'.

Sources :

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Sur Terre, l' hydrogèneL'hydrogène est l'atome le plus simple et le plus léger. C'est l'élément de très loin le plus abondant de l'univers. est associé dans la nature à beaucoup d'autres éléments : surtout à du carbone pour former le méthane (CH 4) et à de l'oxygène pour constituer l'eau (H 2 O).