Café Energie #3: L’hydrogène et les piles à combustibles

Bien que connue depuis plus d’un siècle la molécule d’hydrogène (H2 ou dihydrogène pour les puristes) n’est à ce jour pas autant utilisée que l’aurait souhaités quelques auteurs de science-fiction du 19ème siècle. Le sujet de cet article vise donc à présenter les principales caractéristiques de ce vecteur d’énergie avec un accent sur son utilisation dans le domaine des transports grâce à la pile à combustible. Une analyse de la portée de cette technologie ainsi que les principaux freins à son développement fera l’objet d’une prochaine publication et permettra ainsi d’aborder l’aspect économique du sujet.

Propriétés de l’hydrogène

Bien qu’absent à l’état naturel sur Terre, l’hydrogène est l’atome le plus abondant dans le reste de l’univers. Il est aussi l’atome le plus léger mais surtout le plus dense énergétiquement (33 kWh/kg) devant l’essence (13 kWh/kg). A température et pression ambiante on le trouve sous forme de gaz, ce dernier étant par ailleurs très volatile. Enfin, la combustion de ce gaz ne génère que de l’eau ce qui offre une alternative aux carburants émetteurs de CO2.

En matière de sécurité, l’hydrogène n’a pas d’impact sur la santé. Il est cependant inodore et incolore ce qui le rend difficile à détecter sans appareil. Pour comprendre pourquoi ce gaz inspire tant de crainte il faut se pencher vers le triangle du feu :

Pour apparaître, une flamme a besoin de trois éléments, à savoir : un carburant (le gaz) mélangé en bonne proportion à un comburant (l’oxygène) ainsi que d’une source d’ignition (étincelle, électricité statique, point chaud,…). Le tableau suivant permet de comparer les propriétés de combustion de l’hydrogène et du gaz naturel.

Image2On peut donc voir d’une part que le mélange H2/O2 est inflammable dans une proportion plus importante que le mélange CH4/O2 et d’autre part que ce mélange s’enflamme en présence de moins d’énergie. A titre d’exemple 0,017 mJ correspond à l’électricité statique générée par le frottement d’un vêtement en laine synthétique.

Production de l’hydrogène

C’est parce qu’elle n’est pas présente à l’état naturel que cette molécule doit être produite. Il est donc important de souligner que l’hydrogène est un vecteur énergétique au même titre que l’électricité. Aujourd’hui deux méthodes principales de production sont utilisées :

  • Le reformage du gaz naturel (95% de la production mondiale d’hydrogène).

De la vapeur d’eau est mélangée au gaz naturel et cette réaction libère de l’hydrogène ainsi que du monoxyde de carbone. Ce procédé à un rendement énergétique d’environ 70% et génère 349gCO2/kWhH2

  • L’électrolyse de l’eau

L’eau (H2O) est séparée en H2 et en O2 grâce à l’injection d’un courant électrique à travers un électrolyseur. Ce procédé à un rendement de 65% (en progression) et génère une quantité de CO2 proportionnelle à l’intensité carbone de l’électricité utilisée. En France où le mix électrique produit 79gCO2/kWh cela revient à produire 120gCO2/kWh d’H2.

Stockage de l’hydrogène

Une des principales contraintes de l’hydrogène réside dans son transport et son stockage. A l’heure actuelle trois procédés de stockage sont mature technologiquement :

  • Compression de l’hydrogène à 350bar ou 700bar
  • Stockage sous forme liquide
  • Stockage sous forme solide

Le stockage par compression nécessite relativement peu d’énergie en comparaison de la forme liquide mais permet de stocker moins d’énergie pour un même volume. Le stockage liquide est énergivore (sur 1kWh d’hydrogène 30% sont utilisés pour la liquéfaction) et nécessite un réservoir coûteux. La forme solide est compacte, fiable et efficace mais nécessite une gestion thermique du solide pour libérer l’hydrogène (les galettes de magnésium de McPhy Energy par exemple).

Les piles à combustible (PaC)

La pile à combustible est un système électrochimique permettant la conversion d’une énergie chimique en énergie électrique. Plusieurs types de PaC existent et se différencient par plusieurs critères énumérés dans le tableau ci-dessous :

FCSource : DOE

Il est donc important de souligner que la pile à combustible n’est pas une source mais un convertisseur d’énergie comme peut l’être un moteur à explosion et qu’il faut l’alimenter en combustible comme le moteur en essence.

La PaC la plus en vogue ces dernières années est sans nul doute la PEMFC (Proton exchange membrane) grâce à sa faible inertie, sa température d’opération peu élevée et ses récentes avancées en terme de durée de vie. C’est pour ces mêmes raisons que la PEMFC est la candidate favorite pour une utilisation dans les transports. Cependant il faut noter que le cœur de cette pile est composé en partie de Platine, métal rare et donc cher.

Application aux transports et enjeux

L’utilisation d’un système hydrogène + pile à combustible n’est plus de l’ordre de la fiction puisque plusieurs voitures homologuées parcourent aujourd’hui les routes de France et du monde. A Grenoble la société Symbio FCell produit déjà en série des Kangoo Z.E équipés de tels systèmes pour La Poste ainsi que pour les municipalités françaises et européennes. Pendant ce temps à l’international le groupe Hunday a développé et commercialisé le SUV iX35 suivi de près par Toyota et sa berline Mirai. Ces constructeurs ne sont que des exemples mais il est certain que d’autres sortiront sous peu leurs propre voitures du garage…

Cela dit le véhicule à hydrogène a encore des obstacles sur sa route tels que le développement d’une infrastructure de stations hydrogène, le coût financier ET environnemental de l’hydrogène, la raréfaction du platine ou encore l’acceptabilité sociale de ce gaz.

La voiture individuelle est bien sûr un débouché de cette technologie mais le marché des transports comprend bien d’autres segments tels que la mobilité douce, les poids lourds, la navigation, le ferroviaire ou encore l’aviation. Quels segments pourraient permettre l’essor de cette technologie ? Comment la pile à combustible se positionne t’elle vis-à-vis des technologies concurrentes telles que la batterie ou le moteur à explosion ? C’est à ces questions que nous tenterons de répondre dans une prochaine publication en nous appuyant sur le mémoire de Maîtrise rédigé par Karel Hubert « Economic and technical assessment of hydrogen and fuel cells opportunities in the transport sector ».

Karel Hubert
Mastère Spécialisé Management et Marketing des marchés de l’énergie, Alternant assistant chef de projet à Symbio FCell

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