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Récemment (je ne sais plus cela doit faire deux semaines), je me souviens m’être retrouvé à expliquer à une personne le principe (ou plus précisément la douce utopie) de la « fusion froide » lors d’un apéro que j’ai toujours tendance à transformer en salon de philosophie au grand dam de mes amis.

Et au coeur de cette utopie, il y a l’hydrogène, élément chimique on ne peut plus simple et pourtant tellement puissant.

energie demain hydrogene

Or,j’ai retrouvé avant-hier, en faisant du rangement, un petit fascicule du CEA bien argumenté présentant clairement les principales caractéristiques de cet élément chimique au coeur désormais de nos vies, et que je vais résumer dans cet article.

Qu’est ce que l’hydrogène ?

Jules Verne l’avait prédit fort justement dans ses ouvrages (notamment l’île mystérieuse):

L’hydrogène et l’oxègène, qui la constituent, utilisés isolément ou simultanément, fourniront une source de lumière et de chaleur inépuisables.

L’hydrogène peut en effet être produit à partir de l’eau, et fournit en retour de l’eau en brûlant dans l’air. Créant une boucle infinie quasi inépuisable et surtout non-polluante.


En effet, de tous les éléments chimiques présents dans le tableau périodique des éléments, l’hydrogène est celui qui est le plus léger car il possède la structure ato­mique la plus simple: son noyau se compose d’un unique proton et son atome ne compte qu’un électron.
I! tient donc la première place dans la classification périodique de Mendeleïev.


Et, chronologiquement, l’hydrogène est d’ailleurs l’ancêtre de tous les autres éléments chimiques, car présent dès les premiers instants de l’Univers. Tous ces noyaux d’hydrogène ont alors fusionné pour donner naissance à des noyaux plus lourds et plus complexes.

Molécule d’hydrogène, la base d’une réaction énergétique

La molécule d’hydrogène la plus courante est composée de deux atomes d’hydrogène (H2). En cet état, la molécule est incolore, inodore, non corrosive (non-polluante donc), et occupant à poids égal beaucoup plus de volume que d’autres éléments comme l’eau car très léger. Il faut donc la plupart du temps comprimer ces molécules à des pressions très fortes (plus de 700 bars) ce qui complexifie son transport et son stockage. De plus, les molécules d’hydrogène ont la fâcheuse habitude de pouvoir s’enflammer au contact de l’air…(même si en règle générale, cela n’arrive pas car l’hydrogène se diffuse très rapidement dans l’atmosphère).

Mais là n’est pas son principal intérêt. En effet, la molécule d’hydrogène présente surtout l’intérêt de libérer beaucoup d’énergie lorsqu’elle est « cassée » (120 MJoules/kg) : soit 3 fois plus d’énergie qu’l kg d’essence à poids équivalent.
Sans compter que sa combustion ne rejette pas de gaz à effet de serre.

Hydrogène – présent partout mais disponible nulle part

C’est en effet l’un des paradoxes de la « bête » : l’hydrogène est présent dans tout organisme vivant, animal ou végétal (pétrole, gaz naturel…). La biomasse est donc l’une des sources potentielles principales d’hydrogène. Ou tout simplement l’eau (H2O).

Et pourtant, bien qu’il soit présent partout, l’hydrogène n’existe quasiment pas à l’état pur, et il faut donc le synthétiser industriellement en quantité suffisante pour en faire une source d’énergie, qui pourrait à terme être quasiment inépuisable.

Hydrogène et électricité

L’hydrogène se marie extrêmement bien avec l’industrie de l’électricité pour la bonne raison qu’il peut être stocké, au contraire de l’électricité produite qui doit être utilisé immédiatement (mis à part certains projets scientifiques loin d’être achevés et les batteries dont l’autonomie reste limité).

Il lui apporte donc de la souplesse dans son utilisation, notamment si l’on combine réserve d’hydrogène et pile à combustible. Là, les perspectives sont quasis infinies, sans besoin d’être relié à une réseau électrique (grid).
C’est avec ces combinaisons que l’hydrogène essaye de se développer dans le domaine des transports (voiture, camions, et même avions).
De même, avec la miniaturisation qui accompagnera son développement, on pourra envisager à terme d’utiliser une pile à combustible pour des ordinateurs, des téléphones…


Le tout en apportant une autonomie cinq fois plus importante et la capacité d’être rechargé instantanément.


On peut également facilement imaginer de coupler des piles à combustible avec des sites d’énergie renouvelable (éolien, solaire, marémotrice…) pour combler leur principale faiblesse à savoir l’intermittence de leur production d’électricité.

La filière hydrogène

La production d’hydrogène doit donc passer par une phase industrielle pour être produit en quantité suffisante. Pour le produire, il existe actuellement trois grandes filières, plus ou moins intéressantes à l’avenir notamment de par leurs fortes empreintes écologiques pour certaines :

  • La filière « énergies fossiles » (pétrole, gaz, charbon) : peut intéressante car justement l’utilisation d’hydrogène à pour but de remplacer les énergies fossiles, polluantes. CQFD.
  • La filière « nucléaire », et là, eh bien même combat que pour la première.
  • La filière « renouvelable » (microalgues, biomasse, géothermie…), qui est évidemment la plus intéressante mais également la plus compliquée à mettre en place. Eh oui ! Rien n’est simple en ce bas-monde.

Dans tous les cas, la rentabilité de la filière hydrogène parfaite dépendra de différents points qui sont, la compétitivité en terme de coûts de production, le rendement énergétique, et la propreté/pollution.

Comme tout cela est assez complexe, et comme une image vaut toujours mieux que mille mots, voici un schéma du CEA résumant parfaitement les filières industrielles de production de l’hydrogène.
filiere hydrogene CEA

Pour l’instant, aucun développement n’a permis de développer une filière hydrogène répondant aux critères vus plus haut, mais cela ne serait tarder (de toute façon, on n’a pas le choix).

Les différents process de la filière hydrogène durable

Comme c’est cette voie qui est évidemment privilégié, voici la présentation de deux/trois processus clés permettant de produire de l’hydrogène proprement, même si les coûts de rendement et de production sont encore élevés.

Electrolyse – la production d’hydrogène par décomposition de l’eau

L’eau est évidemment un vecteur très intéressant pour produire de l’hydrogène, notamment via la formule suivante :

H2O => H2 + 1/2 O

L’avantage de ce processus réside dans son respect de l’environnement. Par contre, le rendement n’est pas encore au point.
Le procédé le plus utilisé actuellement est l’électrolyse et la dissociation de la molécule d’eau par cycles thermochimiques.

Schéma de fonctionnement de l’électrolyse :
principe electrolyse

Ce mécanisme permet ainsi de récupérer l’oxygène et de l’hydrogène par réaction chimique. Mais il faut tout de même un faible courant électrique pour maintenir le processus en action. Ce qui fait que ce process n’est rentable si l’on peut produire de l’électricité à très faible coût et non polluante.

Utilisation de la biomasse : l’exemple du bois

Autre source d’hydrogène quasi-inépuisable : la biomasse. Ainsi, produire de l’hydrogène à partir de végétaux qui se renouvelle à la surface du globe serait une piste intéressante. De même que l’exploitation d’algues et de microalgues, qui produise parfois de l’hydrogène par exposition à la lumière du soleil.

Comme par exemple avec le bois, par gazéification (CO + H2) et purification. De même, là encore le procédé est écologique et durable car la production de CO2 durant le process ne dépasse la quantité de CO2absorbée par les plantes au cours de leur croissance.

Gazeification bois

Source: CEA.fr

Mobilité – la pile à combustible

Last but not least, la pile à combustible (PAC) représente la mobilité de l’hydrogène. La technologie n’est pas nouvelle (elle date de 1839, mis au point par William R Grove) mais elle demande encore à être parfaite pour améliorer son rendement, et simplifier sa mise en oeuvre qui reste complexe et coûteuse.

pile combustible PAC

Source : http://techno-science.net

Travaillant sur le principe de l’électrolyse, la pile à combustible (PAC) permet de produire de l’électricité à partir d’hydrogène (H2) et d’oxygène (O2) et de rejeter seulement de l’eau. Toute une gamme de PAC de puissances variées, allant de quelques watts à plusieurs MWatts, sont déjà produits efficacement. Reste à améliorer leur rentabilité et leur coûts d’exploitation sur la durée.

Conclusion : une filière pour l’avenir

Malgré les obstables, la filière hydrogène n’est pas un pis-aller pour remplacer les énergies fossiles en raréfaction mais bien une technologie d’avenir à développer par tous les moyens.


La bonne nouvelle, c’est que les industriels semblent avoir pris le problème à bras le corps pour améliorer cette filière. Notamment dans le secteur des transports : développement des réseaux de stations de piles à combustibles, modèles électriques en lancement pour de nombreux constructeurs automobiles (Renault, Peugeot, BMW…).

Et les combinaisons et exploitations des possibilités de l’hydrogène ne font que commencer.

photo by: Ryan Somma
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