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    Impression du texte

    Hydrogène

    Définition


    Les caractéristiques de l'hydrogène

    "L'hydrogène est un gaz connu depuis fort longtemps. En effet les alchimistes l'appelaient l'«air inflammable» et l'obtenaient par traitement de la limaille de fer avec de l'acide sulfurique. Ses propriétés furent précisées par Cavendish en 1766. C'est Lavoisier qui lui donna son nom en 1783 en constatant que sa combustion avec l'oxygène donnait de l'eau.

    C'est un gaz incolore, inodore et non toxique. Il est le plus léger de tous les corps dans des conditions normales de température et de pression. Il est quatorze fois moins lourd que l'air, sa densité par rapport à l'air étant de 0,07. En conséquence il a une grande facilité de diffusion à travers les parois métalliques et d'effusion à travers les substances poreuses.

    C'est probablement l'élément le plus abondant de l'univers mais ne représente que 0,9% en poids de la croûte terrestre.

    La molécule d'hydrogène est très stable thermiquement, ce qui explique sa faible réactivité à basse température. Il est donc nécessaire d'amorcer les réactions à chaud ou utiliser un catalyseur qui favorise sa dissociation.

    Il possède le pouvoir calorifique massique le plus élevé: 3,39 thermies par kilogramme, c'est-à-dire sensiblement trois fois celui des hydrocarbures et quatre fois et demie celui du charbon.

    C'est après l'hélium, le gaz le plus difficile à liquéfier: sa température de liquéfaction est en effet de - 253 °C. C'est un assez bon conducteur de la chaleur et de l'électricité.
    L'hydrogène présente trois inconvénients majeurs:

    - son pouvoir calorifique volumique est faible: à l'état gazeux et à la pression atmosphérique, ses rapports avec le méthane et l'essence sont respectivement de 1 à 3 et de 1 à 290. À l'état liquide, ces rapports sont encore de 1à 2,3 avec le méthane liquide et à 3,5 avec l'essence. Ces caractéristiques engendrent des difficultés de stockage,
    - son emploi exige certaines précautions en raison de sa faible énergie d'inflammation (0,02 mJ contre 0,44 mJ pour le méthane), en raison de l'étendue de son domaine d'inflammabilité, de 4 à 75 %, et de son aptitude à diffuser par suite de la petitesse de sa molécule,
    - son domaine d'inflammabilité est très vaste, de 4 à 75 % en volume.

    Enfin il convient de noter que l'hydrogène natif n'existe pas sur la Terre. Il est donc nécessaire de l'extraire d'un certain nombre de corps pour pouvoir en disposer. Ce n'est donc qu'un vecteur secondaire d'énergie."

    Office parlementaire d'évaluation des choix scientifiques et technologiques, Les perspectives offertes par la technologie de la pile à combustible. Rapport de MM. Robert Galley et Claude Gatignol, députés (4 juillet 2001) [sur le site de l'Assemblée nationale]. Assemblée nationale: n° 3216 (11ème législature) - Sénat n° 426 (2000-2001).

    Enjeux

    "L'hydrogène est d'ores et déjà un gaz industriel de la première importance.

    Les utilisations industrielles de l'hydrogène

    Il est produit environ 45 millions de tonnes d'hydrogène par an dont 10% en Europe. Un certain nombre de grands producteurs d'hydrogène sont des firmes européennes: Air Liquide, Air Products, Linde, Messer Griesheim.

    L'hydrogène est couramment utilisé dans un grand nombre de secteurs industriels: dans l'industrie des corps gras, en électronique, comme carburant et dans les industries chimiques.

    a - L'industrie des corps gras

    Les corps gras insaturés alimentaires (colza, soja, tournesol,...) doivent être hydrogénés afin de les rendre solides à la température ambiante et augmenter leur aptitude à la conservation.

    Les corps gras non alimentaires sont également hydrogénés pour fabriquer du savon, des lubrifiants, des peintures et des vernis.

    b - L'industrie électronique

    L'hydrogène est utilisé pour l'élaboration de cristaux de semi conducteurs de silicium.

    c - L'hydrogène carburant

    La température de flamme très élevée (2 700°C) atteinte avec l'oxygène l'a fait choisir sous forme liquide comme propulseur des fusées et engins spatiaux.

    d - Les industries chimiques

    Les utilisations de l'hydrogène sont très variés dans ce domaine : · synthèse de l'ammoniac par réaction avec l'azote pour fabriquer essentiellement des engrais, mais aussi des explosifs, des matières colorantes ou des résines,
    · raffinage: hydrosulfuration des fuels pour éliminer le soufre, hydroraffinage pour améliorer les lubrifiants et pour produire des essences spéciales,
    · synthèse du méthanol par réaction du gaz à l'eau pour la fabrication de caoutchoucs, de résines et de produits de base pour la synthèse chimique comme l'acide acétique, le chlorure de méthyle , les esters...
    · chimie organique : hydrogénation d'une part d'un certain nombre de matières pour la production de colorants et d'autre part de précurseurs des sulfamides ou des vitamines.
    · chimie minérale: production d'eau oxygénée. Les utilisations de l'hydrogène dans l'industrie sont donc très diversifiées.

    Les piles à combustibles ouvrent à ce gaz des perspectives importantes de développement en tant que carburant.

    L'hydrogène, carburant des piles à combustible

    La fabrication de l'hydrogène

    L'hydrogène est actuellement fabriqué par électrolyse ou par reformage qui sont maintenant des techniques bien connues.

    L'électrolyse est le procédé de décomposition chimique de l'eau en oxygène et hydrogène sous l'action d'un courant électrique.

    La production économique de l'hydrogène par ce procédé exige de pouvoir disposer de courant électrique à très faible coût. C'est notamment le cas au Canada où Hydro-Québec est devenu un important producteur d'hydrogène compte de l'excellente rentabilité de ses centrales hydroélectriques. La France est également très bien placée de ce point de vue grâce à son équipement en centrales nucléaires.

    Le reformage pose le problème du produit primaire à transformer en hydrogène.
    Un grand nombre de produits pourraient être utilisés: le méthanol, le gaz naturel, l'essence, le gazole, le naphta...

    Le méthanol contient beaucoup d'hydrogène et offre un certain nombre d'avantages.
    En effet, il possède la molécule la simple chimiquement et qui se «casse» le mieux. Il peut être produit n'importe où et à bon marché. Il est également facile à obtenir à partir de la biomasse.

    Mais cette réaction chimique consomme une énergie assez importante et produit du monoxyde et du dioxyde de carbone.

    Il présente également l'inconvénient d'être un fluide dangereux et potentiellement toxique pour l'environnement, notamment pour les nappes phréatiques.

    Pour ces raisons il ne semble pas pour l'instant être favorablement considéré comme un précurseur possible pour la production de l'hydrogène destiné aux piles à combustible. Cet emploi est ainsi formellement exclu aux Etats-Unis.

    Parmi les constructeurs automobiles qui se sont lancés dans la construction de prototypes de véhicules à pile à combustible, seul, apparemment, DaimlerChrysler préconise le reformage du méthanol à bord.

    Le choix du produit primaire fera certainement intervenir un certain nombre de considérations comme les contraintes d'environnement, la disponibilité de la matière première, la facilité et la sécurité de son transport, les coûts divers...

    On peut estimer qu'il n'y aura sans doute pas «un meilleur» et unique précurseur de l'hydrogène.

    Il y en aura certainement plusieurs en fonction d'abord des situations locales et ensuite des choix effectués entre production centralisée et production sur les lieux de consommation.

    Outre les deux méthodes classiques de production de l'hydrogène, des recherches sont en cours sur d'autres procédés de fabrication de ce gaz.

    On peut ainsi citer les possibilités de production directe à partir de la biomasse, par la dissociation thermique de l'eau dans des réacteurs nucléaires à haute température et par la photosynthèse.

    Concernant cette dernière, des scientifiques californiens viennent en effet de démontrer que l'algue verte (Chlamydomonas reinhardtii) peut produire de l'hydrogène.

    Comme toutes les plantes vertes, cette algue utilise la photosynthèse pour transformer l'eau et la lumière du soleil en sucres contenant de l'oxygène et de l'hydrogène. Quand la photosynthèse devient impossible, cette algue puise dans ses stocks d'énergie sucrée, ce qui libère l'hydrogène.

    Les chercheurs ont montré que ce blocage pouvait être provoqué par un manque en soufre. Il suffirait donc de manipuler la teneur en soufre du milieu de ces algues pour obtenir de l'hydrogène. Cette opération a actuellement un rendement dérisoire et reste expérimentale. De même on peut imaginer que des végétaux modifiés génétiquement soient d'excellents producteurs d'hydrogène.

    Compte tenu de la nécessité de produire l'hydrogène en consommant de l'énergie, il faut porter l'attention sur le bilan environnemental de ces différentes filières.


    Le bilan environnemental de la production d'hydrogène

    C'est une question très importante dans la mesure où il serait envisagé de développer cette production d'hydrogène afin de la substituer de façon progressive aux actuelles sources d'énergie fossiles.

    En effet dans cette perspective, il serait primordial de déterminer quelle est (ou sont) la ou les meilleure(s) filière(s) de production dans la mesure où il s'agirait de développer un appareil de production qui n'existe pas à l'heure actuelle. (...)

    Il faudrait ainsi établir les outils d'analyse qui permettraient de nourrir un débat le plus objectif possible quant aux impacts sur l'environnement mais aussi aux coûts des différentes filières hydrogène prise dans leur ensemble. (...)

    Les tableaux suivants présentent le bilan des émissions de différents polluants issus des filières d'hydrogène comprimé et d'hydrogène liquéfié destiné à un usage dans un véhicule. (...)

    On constate le considérable avantage en matière d'émissions de CO2 et de CO de la production d'hydrogène réalisée par électrolyse avec de l'électricité d'origine nucléaire par rapport aux autres modes de production.

    La filière de production à partir du gaz naturel est également bien placée, notamment au niveau des émissions des oxydes d'azote et du soufre où elle se révèle même plus avantageuse que la voie précédente.

    On remarque aussi que la liquéfaction est une opération plus «coûteuse» en termes d'émissions de polluants que la compression.


    Les différents modes de fabrication de l'hydrogène

    L'hydrogène posera des problèmes différents selon qu'elle sera produite sur les lieux d'utilisation par reformage ou dans des unités centralisées. Se poseront en outre des problèmes de sécurité.

    Le reformage in situ

    Il faut distinguer le cas de la génération stationnaire et celui de la génération à bord d'un véhicule.

    a - Le reformage stationnaire

    La génération stationnaire ne pose pas de gros problèmes dans la mesure où le reformeur du générateur est soit approvisionné en carburant primaire par une dérivation d'un réseau existant ou par des livraisons régulières avec éventuellement un stockage tampon pour assurer la permanence de l'alimentation de l'installation.

    La première de ces situations est par exemple celle de la pile de Chelles qui est approvisionnée en gaz naturel par le réseau de Gaz de France comme n'importe quel abonné ordinaire. Dans la seconde, des livraisons du carburant primaire par exemple par camions peuvent être organisées comme sont approvisionnée les stations-service de carburants le long des routes.

    b - La reformage à bord d'un véhicule

    La génération embarquée d'hydrogène à bord d'un véhicule permet de s'affranchir de la mise en place d'une infrastructure de production, de distribution et de tout système de stockage de ce gaz à bord.

    Mais le développement des véhicules équipés d'un reformeur posera le problème de la distribution du carburant précurseur de l'hydrogène.

    Il faut cependant distinguer le cas des flottes «captives» qui ont un point de passage ou de stationnement obligés, comme par exemple les bus, et les véhicules des particuliers.

    S'agissant des flottes captives, le problème peut être aisément résolu par l'existence d'un dépôt de carburant auquel tous les engins se ravitaillent. On peut utiliser à peu près n'importe quel précurseur pour la fabrication de l'hydrogène par les reformeurs embarqués.

    Par contre l'alimentation des véhicules des particuliers nécessiterait un réseau dense de points de ravitaillement.

    Les produits actuellement distribués, l'essence et le gazole, pourraient être facilement employés pour faire fonctionner des reformeurs embarqués. Cette disponibilité immédiate n'entraînerait pas de modification du réseau actuel de distribution des carburants. Compte tenu de sa facilité cette solution serait certainement adoptée au moins provisoirement en attendant que soit choisi un autre précurseur de l'hydrogène.

    Mais l'adoption de cet autre précurseur rendrait alors nécessaire de créer un réseau de distribution, ce qui entraînerait des investissements considérables.

    Le développement des véhicules à pile à combustible conduirait également soit à modifier les raffineries pour produire davantage d'hydrogène ou des essences spécialement adaptées pour le reformage, ou encore tout autre produit comme le méthanol.
    De ce point de vue, les distributeurs de produits pétroliers sont les premiers concernés et ils devront obligatoirement être associés à ce choix.

    Les compagnies pétrolières et les distributeurs de carburant sont d'ores et déjà très intéressés par les technologies impliquées par le développement des piles à combustible.

    Actuellement les compagnies pétrolières poursuivent les actions suivantes : - partenariats de recherche et de développement avec les constructeurs automobiles,
    - participation à des projets de démonstration de véhicules à pile à combustible, par exemple aux Etats-Unis dans le cadre du California Fuel Cell Partnership,
    - participation à des travaux de réflexions stratégiques comme par exemple en France dans le cadre du Réseau «pile à combustible» (projet transversal «Système de traction à pile à combustible» ) et en République fédérale d'Allemagne dans le cadre du projet « Transportation energy safety » regroupant le ministère allemand des transports, Aral, B.M.W., Daimler-Chrysler, M.A.N., Shell et Volkswagen. La plus dynamique de toutes les compagnies pétrolières et la plus impliquée dans ces projets semble être Shell qui a créé une société filiale spécialisée, Shell Hydrogen.
    Enfin il faut noter que cette affaire requerrait bien évidemment l'intervention de la puissance publique.

    Il sera également nécessaire de pouvoir disposer du même carburant au moins en Europe pour des raisons évidentes de mobilité. Une harmonisation y sera donc obligatoire. Le choix du ou des carburants devra donc faire l'objet d'une concertation et d'une prise de décision à ce niveau.

    Il sera par ailleurs obligatoire, dans ce cas de l'adoption d'un nouveau carburant automobile, de maintenir en parallèle, pendant un très grand nombre d'années, le réseau de distribution des carburant classiques compte tenu du temps nécessaire au renouvellement complet du parc européen de véhicules particuliers.

    Ce seront donc des décisions particulièrement difficiles à prendre dont l'échéance est pour l'instant impossible à déterminer.

    La production centralisée d'hydrogène est l'autre branche de l'alternative.


    La production centralisée d'hydrogène

    Cette production centralisée peut être réalisée soit dans de grandes unités centralisées soit dans des unités plus petites. L'hydrogène devra ensuite être transporté et pouvoir être stocké.

    a - La production en grandes unités centralisées

    Une grande centrale de production d'hydrogène comprend trois unités : - une unité de production, vaporeformeur ou unité d'oxydation partielle,
    - une unité de conversion du CO,
    - une unité de purification de l'hydrogène. Les unités actuelles de production d'ammoniac et de méthanol utilisent déjà de telles installations avec de très grandes capacités.

    L'hydrogène doit ensuite être transporté et distribué.

    b - Le transport de l'hydrogène

    L'hydrogène est déjà transporté par voie routière sous forme gazeuse dans des conteneurs et sous forme liquide par camions citernes par tous les producteurs et distributeurs de gaz industriels.

    C'est ainsi qu'un camion semi-remorque citerne transporte chaque semaine une cargaison de 50 m3 d'hydrogène entre l'usine d'Air Liquide située à Waziers dans les Ardennes et l'usine de semi-conducteurs de ST Microelectronics de Milan.
    Le transport d'hydrogène par canalisations est également une opération courante. Elle permet d'assurer l'approvisionnement de complexes pétrochimiques à partir de sites produisant des excès d'hydrogène.

    Il existe de nombreux exemples de telles canalisations en Europe et aux Etats-Unis. Ils sont particulièrement adaptés à l'acheminement de grosses quantités d'hydrogène sur des distances de quelques centaines de kilomètres. On peut ainsi citer à titre d'exemple le réseau de 1 500 kilomètres existant dans le Nord-Est de la France. La République fédérale d'Allemagne possède également plusieurs réseaux de distribution d'hydrogène par canalisations.

    Des études de faisabilité sur le transport maritime d'hydrogène liquide ont été réalisées. Les navires utilisés auraient de fortes similitudes avec les actuels méthaniers.

    c - La distribution de l'hydrogène

    Les stations-service d'hydrogène peuvent être alimentées par un des modes de transport qui a été évoqué.

    La mise au point de ce type de station-service ne semble pas poser de problèmes techniques particuliers. Plusieurs de celles-ci ont déjà été construites à l'occasion de projets de démonstration de véhicules à pile à combustible, notamment en République fédérale d'Allemagne.

    Les stations-service pourraient aussi constituer de petites unités de production d'hydrogène soit par reformage soit par électrolyse.

    Ce type de petite production d'hydrogène est déjà réalisé de façon courante par un certain nombre d'industries utilisatrices de ce gaz comme les verreries, la métallurgie ou l'agro-alimentaire.


    Le stockage de l'hydrogène

    En matière de stockage, la légèreté de l'hydrogène entraîne des densités massiques, c'est-à-dire un rapport masse d'hydrogène/masse du contenant de l'ordre de quelques pour cent, ce qui est un facteur très pénalisant en poids.

    Dans la perspective du développement de véhicules à pile à combustible, si l'on veut éviter les problèmes inhérents au reformage, il sera nécessaire de mettre au point un système de stockage de l'hydrogène sûr et performant.

    La masse d'hydrogène à stocker dans ce cas est de l'ordre de 5 kg, ce qui est nécessaire pour une autonomie classique d'environ 500 kilomètres. L'hydrogène doit être stocké avec des contraintes sévères de volume et de masse pour rester compatible avec les dimensions des véhicules.

    Le stockage de l'hydrogène peut se faire sous forme comprimée, liquide, dans des micro-billes, par absorption dans un hydrure, enfin par adsorption dans du charbon actif et dans des nanotubes de carbone.

    a - Le stockage de l'hydrogène sous forme comprimée

    Le stockage sous pression constitue un dispositif très simple, peu coûteux en énergie et capable de délivrer le gaz stocké avec une dynamique et une cinétique largement supérieures aux besoins. Il relève des mêmes techniques que celles utilisées pour le gaz naturel.

    Les réservoirs sont techniquement au point. Ils sont constitués d'une vessie servant de barrière à l'hydrogène. Celle-ci est généralement en alliage d'aluminium renforcé par de la fibre de verre imprégnée de résine époxy.

    Dans le cadre du programme européen «HYDRO GEN», dont les partenaires sont le C.E.A., P.S.A., Renault et Air Liquide, a été mis au point un réservoir pour le stockage à haute pression, à une pression de 700 bars. La capacité massique de stockage obtenue est de l'ordre de 5,7%, c'est-à-dire 5,7 kg d'hydrogène gazeux stocké pour 100 kg de structure.

    b - Le stockage de l'hydrogène sous forme liquide

    Du fait de la faible densité de ce gaz, 70,8 kg/m3, le volume correspondant à 5 kg d'hydrogène est d'environ 70 litres. Ce mode de stockage peut donc paraître séduisant d'autant plus que l'hydrogène liquide est aisément disponible dans les pays industrialisés.

    Néanmoins, plusieurs inconvénients existent : - il est nécessaire de maintenir l'hydrogène à une température de - 253 °C. Il faut donc une isolation thermique extrêmement soignée et donc encombrante. Cela n'empêche pas une évaporation parasite mais qui reste cependant contrôlable à un niveau admissible de l'ordre de 3% par jour. Cette évaporation peut ne pas être permanente en réalisant une enceinte pressurisée dotée d'une vanne de décharge: c'est la solution qui a été retenue dans le cadre du projet européen «FEVER»;
    - l'énergie nécessaire à la liquéfaction de l'hydrogène représente environ 40% de l'énergie contenue dans le gaz;
    - la manipulation de l'hydrogène liquide exige des stations de remplissage automatique complexes et onéreuses mais cependant tout à fait techniquement réalisables. On possède maintenant des connaissances étendues sur les problèmes posés par le stockage liquide de l'hydrogène grâce au développement des activités spatiales. Mais il faut reconnaître que les coûts et les sujétions de cette voie sont très difficilement applicables à l'automobile.

    c - Le stockage de l'hydrogène dans des micro-billes

    Ce type de stockage repose sur la double propriété de certains verres d'être étanches à l'hydrogène à froid et poreux à chaud. La résistance mécanique du verre permet d'atteindre des pressions d'éclatement de l'ordre de 1 500 bars avec des micro-billes creuses de 12 microns de diamètre et d'environ 2 microns d'épaisseur.

    Cette technique a été essayée dès le début des années 1980. Des essais ont été conduits ont été réalisés par le C.E.A. au début des années 1990.

    Pour remplir ces micro-billes, il faut les porter à environ 350°C dans une atmosphère d'hydrogène à une pression d'environ 1 000 bars puis de les laisser refroidir. Les billes peuvent ensuite être sorties de l'enceinte et conservées aussi longtemps que souhaité.

    Il est possible avec cette technique de satisfaire au cahier des charges des constructeurs automobiles. Le stockage de 5 kg d'hydrogène peut être réalisé de cette façon avec une enceinte de masse inférieure à 100 kg et de volume inférieur à 300 litres.

    Par contre, l'énergie nécessaire pour effectuer ce remplissage représente environ 30% de l'énergie contenue dans le gaz.

    Ce type de stockage est intrinsèquement sûr puisqu'il n'y a pas de fuite et que l'éclatement accidentel d'une bille n'entraîne pas de réaction en chaîne.

    Le déstockage de l'hydrogène peut se faire soit par réchauffage progressif de tout ou d'une partie des billes soit par leur broyage progressif en particulier par vibrations.

    Les densités d'énergie qu'il est possible d'atteindre sont de l'ordre actuellement de 4%. Ce type d'approche pourrait peut-être, compte tenu de ses qualités, se révéler intéressante à terme.

    d - Le stockage de l'hydrogène dans des hydrures

    Ce type de stockage qui apparaît très prometteur est fondé sur la propriété de certains solides d'absorber des quantités importantes d'hydrogène et de le restituer par dépression ou légère élévation de température. Les recherches sont orientées vers les terres rares, le lanthane notamment, le nickel et le magnésium.

    La proportion d'hydrogène absorbé est de l'ordre d'un atome de gaz pour un atome de métal. C'est une réaction réversible exothermique à l'absorption et endothermique à la libération de l'hydrogène.

    La capacité gravimétrique du stockage dépend principalement du poids atomique du métal utilisé. De ce point de vue l'utilisation des terres rares est plus intéressante pour une utilisation sur des applications stationnaires que mobiles car elles sont très lourdes. Enfin la chaleur et les énergies d'activation de l'absorption varient en fonction du type d'alliage.

    Un grand intérêt de cette technique est que la pression de libération de l'hydrogène peut être calibrée en fonction de l'application.

    Malheureusement les alliages capables d'absorber le plus d'hydrogène par unité de poids sont aussi ceux qui demandent des températures très élevées.

    Il en est ainsi par exemple pour tous les composés à base de magnésium.

    Le magnésium est très intéressant car il a une capacité d'absorption massique de 7%, ce qui est un avantage considérable pour les applications mobiles. Mais il se pose un problème de réversibilité car il est alors nécessaire de chauffer à 500 ou 600°C. Un gain important en température peut être fait en alliant le magnésium au nickel mais on perd alors de la capacité massique. D'autres alliages font l'objet de recherches comme ceux à base de zirconium-manganèse-chrome.

    Une autre difficulté est qu'il faut stocker de l'hydrogène très pur car les hydrures ne supportent pas le monoxyde de carbone.

    Des hydrures chimiques sont également développés. On peut citer par exemple le sodium borohydride. Les densités théoriques peuvent atteindre 10% en incluant l'eau. Toutefois ces hydrures seraient assez instables. De plus certains de ces hydrures chimiques sont corrosifs ce qui entraîne des difficultés de manipulation. Enfin le contrôle de la réaction pour obtenir l'hydrogène serait très délicat.

    Ces hydrures font l'objet de recherches un peu partout dans le monde: aux États-Unis mais aussi en France au C.N.R.S. qui possède un laboratoire de chimie métallurgique des terres rares.

    On ne peut que regretter que l'entreprise qui s'appelait alors Rhône-Poulenc, devenue Aventis, qui était un spécialiste des terres rares ait maintenant abandonné cette activité.

    e - Le stockage de l'hydrogène par adsorption dans du charbon actif

    L'adsorption de l'hydrogène dans du charbon actif est connu depuis assez longtemps et donne d'assez bons résultats.

    Mais cette technique de stockage ne peut pas être retenue pour une application automobile.

    En effet il serait nécessaire de conserver le réservoir à une température de 77 K , ce qui obligerait à le maintenir dans une enceinte sous azote liquide ou à le coupler avec un groupe froid, ce qui deviendrait une contrainte excessive pour cette utilisation.

    Des problèmes de sécurité pourraient se poser puisqu'une remontée accidentelle de température libère rapidement l'hydrogène.

    f - Le stockage de l'hydrogène dans des nanotubes de carbone

    Ce mode de stockage de l'hydrogène est actuellement au centre de beaucoup de publications et aussi de controverses.

    Les nanotubes de carbone ont été découverts en 1991 au Japon.

    Ces matériaux sont composés de chaînes de molécules de carbone formant ensemble des tubes graphitiques, ceux-ci pouvant s'organiser en couches simples ou multiples.

    Ils semblent dotés de capacités exceptionnelles en terme d'absorption de l'hydrogène. Leurs capacités massiques d'absorption pourraient atteindre, selon certains auteurs, jusqu'à 65%. Mais la controverse est très vive à ce propos entre les spécialistes.

    Il faut toutefois considérer avec une grande prudence ces nanotubes compte tenu de la méconnaissance de la plupart des mécanismes en jeu lors de l'absorption de l'hydrogène.

    L'activité de recherche est en pleine effervescence sur ce thème.

    Un certain nombre de domaines sont encore entachés de grandes incertitudes.

    Il faut notamment approfondir les connaissances concernant les procédés d'élaboration pour améliorer le rendement de production, c'est-à-dire le rapport entre la quantité de nanotubes synthétisée et la quantité de carbone utilisée initialement et aussi le matériau obtenu.

    Il reste aussi à élucider complètement au niveau théorique l'aptitude étonnante de ces nanostructures carbonées au stockage de l'hydrogène.

    Les questions portent aussi sur la faisabilité à terme d'une production en masse de ces matériaux qui est aujourd'hui limité à quelques grammes obtenus en laboratoire.

    Au terme de cette rapide revue des différentes méthodes de stockage de l'hydrogène, il apparaît clairement que le mode idéal de stockage de ce gaz n'existe pas encore. (...)

    Non seulement le stockage mais aussi l'emploi de l'hydrogène sont souvent considérés comme dangereux. Il convient donc d'évoquer les problèmes de sécurité posés par l'emploi de ce gaz.


    Les problèmes de sécurité posés par l'hydrogène

    L'hydrogène est un produit qui a objectivement mauvaise réputation. Celui-ci déclenche généralement des appréhensions liées à la fois à la «bombe à hydrogène» et au désastre du dirigeable géant «Hindenburg» aux États-Unis le 6 mai 1937.

    D'après de récentes études mené par un expert de la N.A.S.A., cet accident ne serait pas dû à l'hydrogène mais à la nature extrêmement inflammable de la peinture de son enveloppe.

    Quelques caractéristiques de l'hydrogène peuvent susciter l'inquiétude. En effet si sa température d'inflammation est dix fois inférieure à celle des hydrocarbures, sa température d'auto-inflammation est plus élevée. Sa vitesse de combustion est grande ce qui confère au mélange air-hydrogène une aptitude élevée à transiter de la déflagration à la détonation.

    Le risque «hydrogène» peut être apprécié soit au niveau du coeur des piles à combustible soit à celui de la production sur l'installation et des installations de stockage.

    a - Les risques liés au coeur des piles

    Normalement dans une pile à combustible l'hydrogène et l'air n'entrent jamais en contact direct.

    Cependant dans le cadre d'une analyse de risque d'un système, l'éventualité d'une rupture de l'étanchéité entre les compartiments, par dégradation de la membrane pour une pile de type P.E.M. ou fuite de l'électrolyte, doit être prise en considération. Un tel événement peut en effet conduire à la constitution d'un mélange explosif au sein d'une cellule voire, par propagation, dans l'ensemble du coeur de la pile.

    Il faut donc qu'une étude spécifique de sécurité basée sur une analyse des risques et une quantification des conséquences soient réalisées sur chaque installation.

    Il faut toutefois considérer que les quantités d'hydrogène contenues dans le coeur de pile sont limitées et constituent un potentiel de danger relativement faible, surtout comparé à un stockage d'hydrogène classique.

    b - Les risques liés à la production

    L'analyse des risques de chaque installation doit mettre en évidence d'une part les risques liés au combustible employé (gaz naturel, méthanol...) et ceux propres au procédé utilisé (craquage du méthanol, vaporéformage du gaz naturel...).

    c - Les risques liés au stockage

    Dans les cas de stockage sous forme liquide ou pressurisée, les risques sont aujourd'hui bien connus et maîtrisables par la mise en oeuvre de dispositifs de sécurité adéquats.

    La situation des automobiles à pile à combustible ou à moteur à hydrogène liquide a déjà fait l'objet d'études de sécurité.

    Tout d'abord les quantités en jeu sont là relativement faibles : quelques centaines de litres seulement.

    De manière similaire aux travaux ayant précédé la mise sur la marché des véhicules fonctionnant au G.P.L., ceux faisant intervenir l'hydrogène dans leur fonctionnement feront évidemment l'objet d'une procédure d'homologation avant toute fabrication industrielle.

    Des essais ont été effectués sur des prototypes développés lors de différents projets.

    Ainsi B.M.W. a pratiqué sur ses véhicules à moteur à combustion interne à hydrogène une série d'essais de collisions conformes aux spécifications américaines (chocs frontaux et au niveau de l'alimentation du réservoir à hydrogène...). Les résultats ont été entièrement positifs.

    Le C.E.A. a soumis le réservoir d'hydrogène comprimé à 700 bars qu'il a réalisé à des tirs d'armes automatiques sans provoquer d'explosion.

    Concernant les autres formes de stockage, (hydrures, adsorption sur des surfaces poreuses...) le retour d'expérience est moindre compte tenu de leur caractère encore très largement expérimental. Néanmoins la firme automobile japonaise Mazda a fait rouler pendant deux ans un prototype équipé d'un stockage sous forme d'hydrures sans problèmes particuliers.

    Enfin la question de la sécurité des infrastructures de remplissage se posera naturellement en cas de développement de la filière. Elle nécessitera des études de sécurité et également la formation des futurs utilisateurs, c'est-à-dire à terme, le grand public.

    Il faut noter que tous ces domaines sont activement étudiés notamment par l'I.N.E.R.I.S. qui travaille sur l'hydrogène depuis des années."

    Office parlementaire d'évaluation des choix scientifiques et technologiques, Les perspectives offertes par la technologie de la pile à combustible. Rapport de MM. Robert Galley et Claude Gatignol, députés (4 juillet 2001) [sur le site de l'Assemblée nationale]. Assemblée nationale: n° 3216 (11ème législature) - Sénat n° 426 (2000-2001).

    Voir aussi:
    René Saint-Louis, L'hydrogène, le vecteur énergétique du 21e siècle? (Cyberpresse, 17 juin 2001)
    Luc Dupont, La superstar de l'énergie de demain (Cyberpresse, 25 mars 2001)

    Documentation

    Hydrogen Power (The Science Show, 20 avril 2002 - Radio National, Australian Broadcasting Corporation): "At the University of New South Wales, work is progressing on the development of a non-fossil fuel power source to split water for producing hydrogen, which scientists envisage can be used in many applications from from gas sensors on miners' hats to hydrogen powered cars and buses."

    Anti-Matter (The Science Show, 2 mars 2002 - Radio National, Australian Broadcasting Corporation): "Experiments with ultra cold atoms has enabled Harvard scientists to synthesize anti-hydrogen."

    Ronald J. Reynolds, The gas between the stars (Scientific American, 15 janvier 2002)

    Julie Wakefield, The ultimate clean fuel (Scientific American, 4 mai 2002)

    John L. Sloop, Liquid hydrogen as a propulsion fuel, 1945-1959. Washington, D.C., NASA, Scientific and Technical Information Office, 1978 (The NASA History Series)

    Document sonore: L'hydrogène: énergie du futur? Vous pouvez écouter à l'aide de Windows Media Player le reportage de Sophie Payeur ("Les Années lumière", Radio-Canada, 16 juin 2002)
    Date de création : 2012-04-01 | Date de modification : 2012-04-01
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