Article de référence | Réf : BE8515 v2

Hydrogène : du rêve à la réalité
Analyse et perspectives énergétiques

Auteur(s) : Christian NGÔ

Relu et validé le 20 juin 2022

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RÉSUMÉ

Les combustibles fossiles fournissent à l’humanité, depuis environ deux siècles, de l’énergie bon marché et concentrée. Cela a permis d’atteindre, pour la majorité des habitants, un niveau de vie encore jamais égalé dans le passé. Ces richesses fossiles sont toutefois finies, donc épuisables, et leur utilisation massive rejette du gaz carbonique (CO2), ce qui accroît l’effet de serre et contribue au réchauffement climatique. L’humanité est confrontée aujourd’hui à un défi énergétique qui consiste, d’une part à réduire ses émissions de CO2, d’autre part à substituer progressivement les combustibles fossiles par des sources d’énergie durables et décarbonées comme les énergies renouvelables ou le nucléaire. Il va aussi falloir être plus sobre et utiliser plus efficacement l’énergie.

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ABSTRACT

Analysis and energy outlook

Fossil fuels (oil, gas and coal) have given us low cost, concentrated energy. This has enabled most people to enjoy a hitherto unequalled standard of living. However, fossil fuels exist in finite quantity in the earth and will one day run out. Furthermore, when they burn, they emit carbon dioxide (CO2) which increases the greenhouse effect and contributes to global warming. Today we are facing an energy challenge that requires decreasing CO2 emissions and moving on from fossil fuels to more sustainable and carbon-free energy sources such as renewable and nuclear energies. Meeting the energy challenge includes making more efficient use of energy

Auteur(s)

INTRODUCTION

L’énergie est indispensable à la vie et au développement économique. Les civilisations modernes se sont développées depuis environ deux siècles grâce aux combustibles fossiles qui ont permis de disposer de sources d’énergie concentrées et peu chères. Ils couvrent environ 80 % des besoins énergétiques mondiaux mais sont en quantité finie. De plus, l’utilisation des combustibles fossiles rejette du gaz carbonique, ce qui augmente l’effet de serre. Le défi énergétique auquel l’humanité est confrontée aujourd’hui dans le domaine énergétique est de réduire les émissions de CO2 et, progressivement, de substituer les combustibles fossiles par d’autres sources d’énergie n’émettant pas de CO2 (dites décarbonées). Pour répondre à ce défi, il faut faire des économies d’énergie, utiliser des dispositifs plus efficaces et développer à grande échelle des sources d’énergie décarbonées (renouvelables et nucléaire). Les principaux usages de l’énergie sont, par ordre de consommation décroissante, la production d’énergie thermique, les transports et l’électricité.

L’électricité est produite, au niveau mondial, majoritairement avec du charbon mais ce vecteur énergétique peut néanmoins être généré à partir de pratiquement toutes les sources d’énergie, notamment les sources décarbonées. En revanche, les transports dépendent presque entièrement du pétrole. Pour ce qui est de la chaleur ou du froid, on pourrait, en principe, se passer dans le futur de combustibles fossiles.

Le domaine énergétique a toutefois une faiblesse : le stockage. De gros progrès restent à faire dans ce domaine qui est essentiel pour exploiter les sources d’énergie intermittentes.

L’habitat et les transports consomment une bonne part de l’énergie mondiale. Des gains importants en matière d’énergie sont possibles dans l’habitat. Par contre, pour les transports, le problème est plus difficile. L’hydrogène, vecteur énergétique sur lequel beaucoup pariaient à court terme pour les transports, sera surtout utile pour fabriquer des carburants liquides et pour la pétrochimie même si les premières voitures à pile à combustible sont aujourd’hui commercialisées au Japon. Il faut aussi noter que la quantité d’énergie que peut délivrer une source n’est pas le seul paramètre important et que l’on a parfois aussi besoin dans certaines applications industrielles, de fortes puissances devant être délivrées en continu, ce que beaucoup de sources renouvelables sont incapables de fournir.

On assiste actuellement, au niveau mondial, à une transition énergétique qui devrait conduire sur le long terme à une utilisation plus importante des sources d’énergie renouvelables conduisant à une certaine décentralisation de la production d’énergie avec une utilisation importante du traitement numérique de l’information et de la digitalisation (compteurs intelligents, big data, etc.) dans un réseau électrique de plus en plus intelligent (smart grid).

À la raréfaction progressive des combustibles fossiles s’ajoute la raréfaction progressive de certaines ressources minérales nécessaire à la réalisation des nouveaux systèmes énergétiques. Ces derniers sont de plus en plus gourmands en ressources minérales rares et non renouvelables.

Ce panorama du domaine énergétique est une introduction aux nombreux dossiers des techniques de l’ingénieur relatifs à ce sujet.

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KEYWORDS

Coal   |   gas   |   nuclear   |   storage   |   electricity   |   hydrogen   |   oil   |   renewable   |   housing   |   transportation

VERSIONS

Il existe d'autres versions de cet article :

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v2-be8515


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14. Hydrogène : du rêve à la réalité

L’hydrogène est, tout comme l’électricité, un vecteur énergétique. Tout comme l’électricité, il faut de l’énergie pour le produire. En effet, si les atomes d’hydrogène sont nombreux sur la Terre (on les trouve dans l’eau, les hydrocarbures ou la biomasse, par exemple, mais associés à d’autres atomes de ces composés), les molécules d’hydrogène (dihydrogène) sont par contre rares et ce sont elles qui dont on a besoin pour les applications énergétiques.

La majorité (96 %) de l’hydrogène produit actuellement vient des combustibles fossiles : gaz naturel (48 %), pétrole (30 %) et charbon (18 %). Cette production se fait en émettant du CO2 et contribue donc au réchauffement climatique. Seulement 4 % de l’hydrogène est produit par électrolyse car c’est un procédé beaucoup plus cher.

Il faudra produire l’hydrogène dans le futur par électrolyse ou voie biochimique si l’on souhaite ne pas émettre de CO2  . Le problème de l’hydrogène est son stockage car quelle que soit la méthode utilisée (hydrogène comprimé, hydrogène liquide, stockage sous forme d’hydrures), la masse d’hydrogène stockée dans un volume donné est faible.

Exemple

1 m3 ne contient que 14 kg d’hydrogène comprimé à 200 bar (20 MPa) alors qu’il y a 100 kg de gaz naturel dans le même volume. Il faut environ 1 kg d’hydrogène pour parcourir 100 km avec une voiture à pile à combustible.

On a toutefois montré récemment qu’il existe de l’hydrogène à l’état naturel, soit dans les océans, soit sur les continents .

On observe des émissions de dihydrogène naturel dans les sources hydrothermales océaniques, notamment au niveau des dorsales. Ce phénomène est connu depuis 20 à 30 ans. Les fluides hydrothermaux ont pour origine le manteau terrestre....

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - ACKET (C.), VAILLANT (J.) -   Les énergies renouvelables, état des lieux et perspectives.  -  Technip (2011).

  • (2) - AGATOR (J.M.), CHERON (J.), NGÔ (C.), TRAP (G.) -   Hydrogène, omniscience  -  (2007).

  • (3) - ALLEAU (T.), HAESSING (T.) -   L’hydrogène, énergie du futur ?  -  EDP Sciences (2008).

  • (4) - BALLERINI (D.) -   Le plein de biocarburants ?  -  Technip (2007).

  • (5) - BALLERINI (D.) -   Les biocarburants.  -  Technip (2006).

  • (6) - BARRÉ (B.) -   Tout sur l’énergie nucléaire.  -  Areva (2003).

  • ...

1 Sites Internet

Agence de l’environnement et de la maîtrise de l’énergie http://www.ademe.fr

Agence internationale de l’énergie http://www.iea.org

Areva http://www.areva.com

BP statistical review http://www.bp.com/productlanding.do?categoryId=6929&contentId=7044622

BRGM http://www.brgm.fr

Carbon Capture and sequestration technologies @ MIT http://sequestration.mit.edu/

Centre technique et scientifique du bâtiment CSTB http://www.cstb.fr

CNRS http://www.cnrs.fr

Commissariat à l’énergie atomique CEA http://www.cea.fr

Danish wind industry association http://www.windpower.org

DGE http://www.entreprises.gouv.fr/secteurs-professionnels/industrie

Edmonium http://www.edmonium.fr

Électricité de France, EDF http://www.edf.fr

Energy information administration, US Department of energy http://www.eia.gov/

EurObserv’ER http://www.energies-renouvelables.org

European environment agency http://www.eea.europa.eu

GIEC (groupe d’experts intergouvernemental sur l’évolution du climat) ou IPCC (intergovernmental panel on climate change) http://www.ipcc.ch

IFRAP...

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