[Éclairage] L'Hydrogène vert comme carburant et vecteur d'énergie propre pour les systèmes pompe à chaleur (PAC)

Les propriétés uniques de l’hydrogène en font un vecteur énergétique pour la production d’électricité mais aussi une matière première idéale pour la synthèse de carburants et de produits chimiques. Eclairage par Belkacem Ould Bouamama et Andrei Khodakov, enseignant-chercheur et directeur de recherche à l’Université de Lille.

Pourquoi l’hydrogène ?

Jules Verne le prédisait dans L’Île mystérieuse dès 1875 « …l’eau sera un jour employé comme combustible, que l’hydrogène (H₂) et l’oxygène (O₂), fourniront une source de chaleur inépuisable…». On y est…l’hydrogène est considéré aujourd’hui comme le vecteur d’énergie du futur le plus prometteur. La France va investir 7.2 milliards d’euros sur dix ans pour décarboner l’économie française grâce au développement de l’hydrogène vert sur les territoires.

Comme l’électricité, l’hydrogène n’est pas une source d’énergie directe mais plutôt un vecteur énergétique. Tout comme l’électricité. Il sert à transporter de l’énergie produite par une source primaire. Ses atouts sont nombreux : c’est la molécule la plus abondante en formant 75 % de la masse connue de l’univers, sa molécule composée de deux atomes d’hydrogène, est particulièrement énergétique (la combustion d’un kg d’hydrogène libère environ trois fois plus d’énergie qu’un kg d’essence, et ne produit que de l’eau). En revanche, l’hydrogène occupe, à masse égale, beaucoup plus de volume que tout autre gaz. Ainsi pour produire autant d’énergie qu’un litre d’essence, il faut environ 7 litres d’hydrogène comprimé à 700 bars (700 fois la pression atmosphérique). L’hydrogène est très léger, ce qui est un handicap pour son stockage et son transport mais un avantage pour la sécurité car le moindre interstice permet à l’hydrogène de s’échapper, évitant ou limitant bien souvent sa dangereuse accumulation. La forme liquide (à une température de – 253°) est beaucoup plus coûteuse.

Enfin, après la grande désillusion suite à l’explosion du dirigeable allemand Hindenburg, tous les moyens de sécurité sont garantis aujourd’hui pour empêcher les fuites, y compris en cas d’accident des véhicules.

L’hydrogène oui … mais vert

L’élément hydrogène est très abondant sur la Terre mais seulement sous forme combinée soit avec l’oxygène dans la molécule d’eau (H₂O) soit avec le carbone dans les hydrocarbures (pétrole ou méthane). Aujourd’hui, 95 % de l’hydrogène est produit à partir d’hydrocarbures, solution la moins coûteuse mais ce processus est émetteur de CO₂, gaz à effet de serre.

Mais, comme H₂ est l’élément chimique le plus abondant dans l’univers, transformer cette présence en vecteur énergétique représente un intérêt écologique fort. Etant présent dans la molécule de l’eau (H₂O), comment décomposer cette molécule en dihydrogène et en dioxygène ? Il suffit de « brancher » l’eau sur un circuit électrique : c’est le procédé de l’électrolyse.

L’électrolyse de l’eau est un procédé électrolytique qui décompose l’eau en dioxygène et dihydrogène gazeux grâce à un courant électrique. L’électrolyseur est constitué de deux électrodes alimentées par un courant électrique, plongées dans un mélange d’eau et de minéraux (électrolytes) qui augmentent la conductivité de l’eau (cf schéma).

L’électricité qui parcourt le circuit atteint l’eau par la première électrode et cherche à en sortir par la seconde. En traversant le liquide, l’électricité perturbe les molécules d’eau (H₂O), composées de deux atomes d’hydrogène (H) reliés entre eux par un atome d’oxygène (O), jusqu’à ce qu’une liaison cède et qu’un hydrogène se sépare du reste de la molécule. Les atomes isolés forment rapidement du dihydrogène. Ce gaz remonte immédiatement à la surface de l’eau. C’est ce gaz qui intéresse aujourd’hui les énergéticiens du monde entier. De l’autre côté du circuit, les liaisons des molécules proches de la deuxième électrode sont détruites, car leurs électrons sont attirés par l’anode. Cette réaction produit également un gaz qui remonte en grosses bulles à la surface. Celui-ci n’intéresse pas les énergéticiens mais il est vital : c’est le dioxygène. Celui que nous respirons pour vivre.

Si la source d’électricité provient d’une source d’énergie décarbonée et renouvelable (un barrage hydraulique, une éolienne ou un panneau solaire), on parle d’hydrogène vert qui ensuite est valorisé sous différentes formes.

Production de l’hydrogène vert par les plateformes multi sources

Les énergies renouvelables sont certes inépuisables mais intermittentes car leur intensité dépend de la nature. Lorsqu’il n’y a plus de vent ni de soleil, la production d’électricité s’arrête. Et au contraire, quand ces ressources sont trop abondantes, il existe un surplus d’énergie. Il devient alors difficile de l’écouler au vu d’une demande trop faible et d’un stockage inexistant.  Une question se pose : comment stocker l’énergie et la délivrer ensuite tout en s’adaptant à l’offre et la demande ? La réponse c’est justement l’hydrogène vert produit par des plateformes technologiques multi sources.

Ces installations sont constituées de sources renouvelables couplées à un électrolyseur produisant de l’hydrogène vert qui alimente une pile à combustible par un flux continu ou des bouteilles haute pression. Le principe des piles à combustible est de faire réagir de l’hydrogène avec de l’oxygène pour créer de l’électricité, le tout en émettant uniquement… de l’eau, zéro carbone, ni particules fines, ni pollution. L’énergie électrique fournie par la pile permettra alors de réguler et stabiliser la consommation à des périodes de sous production des énergies renouvelables (cf. schéma).

La gestion optimale de ces différents modes de production des énergies renouvelables (surproduction, sous-production, prix de l’électricité…) est intégrée aux fonctions des réseaux électriques intelligents, ou smart grid en anglais. Ces réseaux reposent sur un système d’information qui permet de prévoir et équilibrer en temps réel le niveau de production et de consommation mais aussi de garantir la disponibilité opérationnelle et la pérennité du fonctionnement des équipements par des méthodes avancées de l’intelligence artificielle.

Valorisation de l’Hydrogène vert

Les propriétés uniques de l’hydrogène en font un vecteur énergétique pour la production d’électricité mais aussi une matière première idéale pour la synthèse de carburants et de produits chimiques. L’hydrogène peut être converti en d’autres combustibles et produits chimiques gazeux et liquides. Cette valorisation est réalisée par plusieurs technologies de transformation d’électricité en un autre vecteur énergétique (gaz, chaleur…). Cette transformation est connue sous le nom de « Power to X « 2–4 ou P2X. L’hydrogène ainsi produit peut alors être valorisé de différentes manières : en fonction du type de ce vecteur « X » on distingue (cf schéma) :

• La technologie « Power to Power » convertit directement l’hydrogène en électricité par une pile à combustible pour des utilisation très variées : mobilité, alimentation des sites isolés…
• Power to Industry: la vente directe aux industries consommatrices d’hydrogène vert (raffinage, chimie) afin de décarboner leurs processus industriels.
• « Power-to-Gas » transforme l’hydrogène durable en méthane par méthanation par une réaction de synthèse avec du CO₂ qui provient de différentes sources (air, industries…)

La technologie « Power to Liquid » comprend la co-électrolyse simultanée du CO₂ et de l’H₂O, ainsi que l’hydrogénation du CO₂ qui permettent d’obtenir des hydrocarbures par la synthèse dite de Fischer Tropsch, le méthanol ou l’éther di méthylique.

L’hydrogène est donc un instrument puissant pour la décarbonisation de l’économie et l’augmentation de la flexibilité de nombreux systèmes énergétiques et chimiques. Il est en mesure d’éliminer les nuisances environnementales de la mobilité et de l’industrie à base de combustibles fossiles tout en apportant une significative amélioration au stockage de l’énergie.