L’hydrogène : carburant du futur? Yan Bourgeois, Thomas Nouvian, Patrice Brochot, Xavier Prely L’hydrogène : carburant du futur? BMW H2R Prototype 12 juin 2007 Eco-conception 1 1

Pourquoi l’hydrogène? Énergie “verte”: gaz sans effet de serre et non toxique. Différentes sources de production. Accessible sur les cinq continents et ressources illimitées. Les nations peuvent sécuriser leurs besoins énergétiques, évitant des conflits entre les pays. Satisfait les besoins énergétiques. 2 2

Histoire de la technologie de l’hydrogène 1766 – Identification de l’élément Hydrogène. 1800 – Découverte de l’électrolyse. 1937 – Tragédie d’Hindenburg. 1959 – Premier prototype de pile à combustible. 1973 – Application commerciale des piles à combustible hydrogène après la 1er choc pétrolier. 1990 – Première usine de production d’hydrogène à partir de l’énergie solaire. 1998 – L’Islande prévoit de devenir la première économie basée sur l’hydrogène d’ici 2030. 2001 – Première membrane à échange de protons dans les piles à combustible. 2003 – Le gouvernement américain investit $1,2 milliards dans le développement de l’hydrogène comme carburant. 3 3

Caractéristiques de l’hydrogène Élément le plus léger et le plus courant dans l’Univers. Comme l’électricité, l’hydrogène est un transporteur d’énergie et non une source d’énergie. Dans sa forme commune (H2), il est incolore et inodore. Se trouve rarement sous sa forme élémentaire dans la nature. Grande capacité énergétique par unité de masse (3 fois plus que le pétrole). Sa masse volumique est très basse à température et pression ambiantes. 4 4

Piles à combustible Le concept est ancien mais les applications commerciales commencent seulement à se développer avec H2. Représente la meilleure solution parmi les technologies en place. La technologie utilisée est complexe, mais le principe de fonctionnement est simple. 5 5

Table 1: Caractéristiques des systèmes de génération Piles à combustible Plus propres et plus efficaces que les moteurs à combustion traditionnels. Différents types de piles à combustible existent, mais la plus commune est la PME. Table 1: Caractéristiques des systèmes de génération 6 6

Éléments nécessaires à la production d’hydrogène Gaz naturel (principalement méthane CH4) Biomasse Hydrocarbure (comme le charbon) Énergie renouvelable: éolienne, solaire, géothermie, hydraulique Nucléaire Figure 1. Production et utilisation de l’hydrogène 7 7

Production d’hydrogène Tous les processus de production d’hydrogène sont basés sur la séparation de H2 de son milieu (eau, gaz…) Aujourd’hui, deux méthodes sont couramment utilisées: la génération de vapeur (processus thermique) et l’électrolyse (processus chimique). Par contre, la génération de vapeur produit beaucoup de gaz à effet de serre et l’électrolyse demande une grande source d’énergie. Les autres techniques de production ”100% propre” (éolienne, solaire,...) existent et deviennent de plus en plus populaires. 8 8

Production d’hydrogène Vaporisation du méthane Technique la plus utilisée aujourd’hui (95% de l’hydrogène produit aux États-Unis). Considéré comme une solution à court terme due à la production considérable de polluant. Figure 2. Réaction générale de la technique SMR 9 9

Production d’hydrogène Électrolyse L’hydrogène et l’oxygène de la molécule d’eau sont séparés en faisant circuler un courant électrique. L’électrolyse est chère, surtout pour les pays où la production d’électricité est coûteuse. Figure 3. Equation générale de l’électrolyse 10 10

Production d’hydrogène L’électrolyse n’émet pas de CO2 (selon le moyen de production de l ’électricité). Les énergies éolienne et solaire sont grandement développées du fait de leur efficacité potentielle. Figure 4. Energie produite et émission de carbone pour différents procédés 11 11

Technologies de stockage Une attention toute particulière doit être portée à son transport car il présente des risques. Le stockage de l’hydrogène est également un problème important car la masse volumique est très faible.  Différentes techniques: Stockage dans des grands souterrains (c.f. cavernes…) Compression du gaz (350 to 700 bars) Hydrogène liquide(LH2) Metal hybrid storage Nanostructures de carbone Table 2. Possibilités de stockage et masses volumiques correspondantes. 12 12

Transport et distribution Quelques stations services existent déjà (200km au États-Unis). La modification des stations services essence peut aussi être envisageable. Des citernes peuvent aussi être utilisées avec l’H2. Deux stratégies de distribution : Distributeur d’hydrogène seulement Distributeur et production combinés. Chaque stratégie est possible à court et long terme. Figure 5. Station service au R&D de Honda Amérique en Californie utilisant l’énergie solaire pour l’électrolyse de l’eau produisant et distribuant de l’hydrogène. 13 13

Sécurité Les gens ont généralement peur de l’utilisation de l’hydrogène. L’hydrogène n’est pas plus dangereux qu’un autre combustible, juste différent. Les industries d’hydrogène produisent et transportent de façon sécurisée l’hydrogène depuis des décennies. Des efforts considérables ont été effectués dans la standardisation et la codification. 14 14

Sécurité Ci-dessus : Comparaison de l’incendie d’une voiture : - à l’hydrogène (gauche) - à l’essence (droite) Ci-contre : Accident du dirigeable Hindenburg 15 15

Économies Des investissements de masse ont été effectués dans la production, le stockage et le transport de l’hydrogène. L’hydrogène est appelé à devenir la prochaine activité des compagnies pétrolières. Les réserves de combustible fossile (spécialement le gaz naturel) ne sont pas très bien connues et peuvent retarder la R&D dans les technologies de l’hydrogène. Les piles à combustible sont très chères: ~3000 €/kW. La production de masse et la popularité pourrait diminuer les coûts à environ 1000 €/kW, quand la technologie deviendra compétitive. 16 16

Stratégies L’économie seule ne peut pas supporter le changement à l’hydrogène. Les réglementations gouvernementales comme la taxe sur les émissions polluante peuvent favoriser le développement de l’hydrogène. Les politiques doivent définir clairement le cadre d ’application de l ’hydrogène, pour un travail plus efficace des bureaux R&D. Une éducation du grand public sur les technologies en matière de standardisation et de sécurité doit être effectuer afin d’éliminer la crainte de l’hydrogène. 17 17

Développements futurs et espoirs La construction de grandes infrastructures prendra beaucoup de temps dû au coût et à la logistique. La recherche et le développement dans les technologies de l’hydrogène (spécialement le stockage) est la clé. La production d’hydrogène est 100% propre seulement si elle est produite à partir d’énergie renouvelable (à moyen et long termes). Les experts prédisent que l’économie de l’hydrogène sera en place autour des années 2050. L’hydrogène peut être une des solutions d ’avenir... 18 18