L'hydrogène est un gaz hyper léger, particulièrement abondant sur terre, qui intervient dans la composition de nombreux éléments chimiques comme l’eau (H2O), le méthane (CH4), l’ammoniac (NH3) et l’acide sulfurique (H2SO4).

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Les émanations naturelles d'hydrogène se trouvent principalement dans les fonds marins et, en moindre quantité, en zone terrestre. Au Mali, un puit d'hydrogène naturel est exploité pour produire de l'électricité.

L'hydrogène n'est pas une "énergie primaire" - directement exploitable comme l'énergie solaire ou le gaz naturel - et pour l'utiliser, il faut l'isoler.

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Pour produire de l'hydrogène, trois méthodes sont utilisées :

Le reformage du gaz naturel. Sous l’action de vapeur d’eau surchauffée, on isole les atomes d’hydrogène contenus dans le méthane (CH4). Cette technique est particulièrement polluante car pour chaque kg de H produit, 10 kg de CO2 sont dégagés. Ce procédé est considéré comme le plus économique avec un prix de revient au kg d'hydrogène de 1,5€, mais reste trois fois plus élevé que le prix du gaz "naturel".

La gazéification du charbon de bois ou de biomasse. On brûle du charbon à très haute température. La combustion permet de séparer le dihydrogène (H2) du monoxyde de carbone (CO). Ce procédé fortement carboné est lui aussi très polluant.

L'électrolyse de l’eau. On soumet l'eau à un courant électrique et l'on sépare les molécules d'hydrogène de celles de l'oxygène. Ceci revient à scinder l’eau (H2O), en dioxygène (O2) et en dihydrogène (H2). Le gaz d’hydrogène remonte alors à la surface de l’eau. Cette technologie ne produit pas de CO2 si l'électricité utilisée est dite "verte" mais elle à un prix de revient élevé d'environ 6€ au kg.

Le prix de production et les rejets de CO2 sont les premières limites de la production d'hydrogène.

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L'hydrogène est le gaz le plus léger de l'univers. Onze fois plus léger que l'air, il a besoin de beaucoup d'espace de stockage. 11 m3 sont nécessaires pour stocker 1 kg d'hydrogène à pression atmosphérique normale. Il faut donc le densifier pour le stocker et, pour ce faire, trois méthodes de stockage sont actuellement possibles :

Sous forme gazeuse. En augmentant la pression on diminue sa masse volumique. Grace à cette méthode, on peut stocker l'hydrogène des piles à combustibles.

Sous forme liquide. Porté à une température d'environ - 253°C, l’hydrogène devient liquide. Il faut alors maintenir les réservoirs à très basse température pour éviter que celui-ci ne s’échappe. Cette technique n’est que peu usitée mais on la retrouve dans les centres de propulsion spatiale.

Sous forme solide. En associant l’hydrogène avec des alliages métalliques, on crée des hydrures. Par un processus inverse, il est possible de "refabriquer" de l’hydrogène. Cette méthode est peu utilisée car elle ne permet de stocker qu’une petite quantité d’hydrogène.

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Les principaux champs d'utilisation

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L'industrie. Dans le monde, on produit environ soixante millions de tonnes d'hydrogène par an dont neuf cent mille tonnes en France. Plus de 80% sert à produire de l'ammoniac et du méthanol. L'ammoniac est indispensable pour la production d'engrais, le raffinage du pétrole, la production de verre, l'impression de circuits électroniques, etc. Solvant industriel, le méthanol est utilisé dans les ciments, les encres, les colorants, les peintures, les vernis ….

Le spatial. Les propulseurs de fusées utilisent la combustion d'hydrogène et d'oxygène liquides. La combustion d'hydrogène produit une quantité intense de vapeur d'eau qui est détendue à grande vitesse à travers la tuyère du moteur. L'éjection du gaz propulse la fusée. Un des points forts de l'hydrogène réside dans ses propriétés énergétiques, un kg d'hydrogène produit trois fois plus d'énergie qu'un kg d'essence.

Le raffinage du pétrole. Le pétrole est inutilisable à l'état brut, il faut le raffiner pour le transformer en produits consommables (essence, gazole, fioul, lubrifiants, etc.). On fait deux distillations pour séparer le pétrole en "coupes légères" pour obtenir des carburants comme le super sans plomb 95 ou 98, en "coupes moyennes" pour obtenir du gazole ou du kérosène destinés aux transports, et en coupes lourdes pour produire du fioul ou du bitume. Pour pouvoir commercialiser le gazole ou le kérosène, un traitement à l'hydrogène permet de réduire leur teneur en soufre qui ne doit pas dépasser 10 mg/kg. Cette valeur a été déterminée par la Commission Européenne parce que le soufre est un gaz nocif. Lorsqu'il est émis dans l'air à la suite de la combustion du carburant, ses composés ont des répercussions négatives sur la santé et l’environnement.

 

Abandonné pendant plusieurs années l'hydrogène intéresse aujourd'hui, sous couvert de transition énergétique, de plus en plus de secteurs de l'énergie.

Les différentes sources d'énergies renouvelables (solaire, éolien, etc.) sont des énergies intermittentes. Elles produisent de l'électricité en fonction des variations du soleil et des vents. Sans soleil ou sans vent, aucune énergie n'est produite. L'électricité est une énergie qui se stocke très mal qui doit être consommée en même temps que sa production. Lorsque la demande est plus faible que la production, cette énergie est perdue.

L'hydrogène propre - celui obtenu par électrolyse de l'eau - est pressenti pour servir à pallier les limites liées au stockage de l'électricité dite "verte" en la stockant dans des piles à combustibles. Les piles à combustible sont des batteries permettant l'approvisionnement électrique de zones isolées, l'approvisionnement de secours d'entreprises ou de sites publics. Elles sont également largement pressenties par les constructeurs automobiles pour fabriquer des véhicules à hydrogène avec une autonomie d'environ 500 km soit l'équivalent de la consommation d'un moteur thermique. Les freins majeurs au développement de cette technologie restent les prix d'achat et de revient des véhicules à l'utilisation. 1 kg d'hydrogène – environ 15 € - donne une autonomie d'environ 100 km (pour une même distance, vous dépenserez 2 € avec un véhicule électrique alimenté par batterie). Avec 86 stations ouvertes et 71 en construction, une autre difficulté actuelle est le manque de points de ravitaillement.

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La méthanisation produit essentiellement du CH4 - injecté dans les réseaux gaz - et du CO2 largué à l'atmosphère.

La méthanation consiste à récupérer ce CO2 et, en l'associant à l'hydrogène, on peut à nouveau créer du méthane. Ce méthane peut être stocké dans des sites spécifiques et être utilisé dans les périodes de forte demande.

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Coûteux à produire aujourd’hui, l’hydrogène apparaît pourtant comme une énergie d’avenir pour la transition énergétique. Ses multiples applications et son abondance lui donnent des avantages compétitifs. Le plan France Relance a pour objectif de produire 10% d'hydrogène "vert" d'ici à 2023.

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Il bénéficie également de politiques de soutien de la part de l’Union européenne et, pour sa part, la Commission européenne a déclaré "Pour parvenir à la neutralité climatique à l’horizon 2050, l’Europe doit transformer son système énergétique, qui représente 75 % des émissions de gaz à effet de serre de l’UE.". L’hydrogène propre est l’une des pistes étudiées pour réussir à atteindre la neutralité carbone.

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Pour faire aboutir cette stratégie, la Commission européenne a fondé "l’Alliance européenne pour un hydrogène propre". Celle-ci regroupe : la filière hydrogène et des acteurs du secteur énergétique, la société civile, les ministères de la Transition écologique des États-membres ainsi que certaines régions et collectivités territoriales, la Banque européenne d’investissement.

Cette alliance devrait soutenir le développement de la filière via des subventions et appels à projets.

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