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RÉSUMÉ
N’existant pas à l’état naturel, l’hydrogène est à ce jour majoritairement produit à partir hydrocarbures et un peu par électrolyse. Il est très largement utilisé dans l'industrie chimique et le raffinage et le sera plus encore demain. Après une présentation du marché de l’hydrogène et son évolution jusque vers 2030, cet article décrit l’ensemble de la chaîne de l’hydrogène depuis sa production jusqu’à son stockage et son transport. Du fait de sa combustion non polluante, il est également envisagé comme un des vecteurs énergétiques de demain. Si l’usage de l’hydrogène est maîtrisé industriellement, les enjeux de sécurité pour cet éventuel futur usage doivent être pris en compte.
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Karine SURLA : Ingénieur École nationale supérieure des mines de Saint Étienne - Docteur en génie des procédés de l’INPG et des mines de Saint Étienne - Chef des projets hydrogène à l’IFP Énergies nouvelles IFP Énergies Nouvelles-Lyon Rond-point de l’échangeur de Solaize, Solaize, France
INTRODUCTION
L’hydrogène est l’élément le plus répandu de l’univers : il est le principal constituant du soleil, des planètes géantes comme Jupiter et Saturne, de la plupart des étoiles et de la matière interstellaire et intergalactique.
Sur terre, l’hydrogène est le plus souvent combiné à d’autres éléments pour former des molécules telles que l’eau, les hydrocarbures ou des molécules plus complexes encore comme par exemple les protéines ou les glucides. Aussi, la molécule H2 ou dihydrogène, bien qu’observée, dans les émissions de certaines dorsales, existe très peu à l’état naturel. Pour être utilisé l’élément hydrogène doit donc d’abord être séparé de sa molécule hôte pour être recombiné en molécules de dihydrogène, ce qui est une opération généralement très énergivore. En un mot, il faut le produire. À ce jour, les hydrocarbures sont la principale source de l’hydrogène industriel via des procédés de productions matures comme le vaporeformage avec l’inconvénient de coproduire du dioxyde de carbone. Le rôle industriel de l’hydrogène est très important dans l’industrie chimique, dans le raffinage du pétrole et la pétrochimie et, dans une moindre mesure, pour l’obtention de certains matériaux. Son utilisation est en revanche très limitée aujourd’hui comme vecteur énergétique. Mais du fait de sa combustion non polluante, il est également considéré comme un des potentiels vecteurs énergétiques du futur pour peu que sa production elle-même ne soit pas polluante. Les attentes de la filière portent donc d’abord sur la production propre et économiquement viable. Le stockage et la distribution de l’hydrogène sont deux points clés de l’utilisation de l’hydrogène comme vecteur énergétique.
L’objectif de cet article est de décrire l’ensemble de la chaine hydrogène. Il débute par une présentation du marché puis décrit les technologies existantes pour la production et la purification d’hydrogène ainsi que celles en développement. La production d’hydrogène à partir d’hydrocarbure s’accompagnant d’émissions de dioxyde de carbone, les solutions de captage et de stockage du CO2 sont évoquées. Les méthodes de stockage, transport et distributions de l’hydrogène sont ensuite abordées car il s’agit des trois maillons essentiels de la filière entre production et utilisation. Enfin, cet article donne quelques éléments sur les enjeux de sécurité liée à l’utilisation de cette molécule et les normes en vigueur.
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- Version archivée 1 de févr. 2012 par Christophe BOYER
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Présentation
Marché de l’hydrogène
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1. Propriétés du dihydrogène
La molécule de dihydrogène est constituée de deux atomes d’hydrogène. Par souci de simplification, il est nommé hydrogène quand il ne peut y avoir confusion avec les atomes qui le composent. Ce sera le cas dans cet article.
Dans les conditions normales de température et de pression, l’hydrogène est un gaz inodore et incolore. Il se liquéfie à – 252,8 °C et est le fluide sous forme liquide le plus froid connu, après l’hélium liquide. Les caractéristiques de l’hydrogène sont données dans le tableau 1.
Pouvoir calorifique supérieur PCS : énergie thermique libérée par la combustion d’un kilogramme de combustible. Cette énergie comprend la chaleur sensible, mais aussi la chaleur latente de vaporisation de l’eau, généralement produite par la combustion. Cette énergie peut être entièrement récupérée si la vapeur d’eau émise est condensée, c’est-à-dire si toute l’eau vaporisée se retrouve finalement sous forme liquide.
Pouvoir calorifique inférieur PCI : énergie thermique libérée par la combustion d’un kilogramme de combustible sous forme de chaleur sensible, à l’exclusion de l’énergie de vaporisation (chaleur latente) de l’eau présente en fin de réaction.
L’hydrogène présente l’avantage de n’être ni toxique, ni polluant. De plus, sa très faible densité en phase gazeuse associée à un coefficient de diffusion dans l’air élevé par rapport à d’autres molécules (son coefficient de diffusion dans l’air est de 0,61 cm2/s alors qu’il est de 0,16 pour le méthane) permet en cas de fuite un mélange rapide avec l’air ambiant et évite donc une concentration élevée de ce gaz, au niveau de la fuite par exemple. Ses limites de détonation couvrent un domaine de concentrations tel qu’il est en pratique difficile de se trouver dans de telles conditions. Enfin, l’hydrogène est la molécule combustible au plus fort PCI massique, il est égal à 2,5 fois celui du méthane et près de 3 fois d’un gazole routier (120 MJ/kg pour l’hydrogène et 50 MJ/kg pour le méthane). C’est pour cela que l’hydrogène est considéré comme un vecteur énergétique à fort potentiel.
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Propriétés du dihydrogène
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - GOFFE (B.), GUYOT (F.) - L’énergie à découvert 30. - L’Hydrogène naturel CNRS Edition (2013).
-
(2) - AFHYPAC - Moteurs thermiques à hydrogène. - Fiche 5.1.1 (2018).
-
(3) - AFHYPAC - Les piles à combustibles (PAC). - Fiche 5.13 (2018).
-
(4) - AFHYPAC - Turbines aéronautiques et moteurs-fusées à hydrogène. - Fiche 5.1.2 (2018).
-
(5) - SURESH (B.), HE (H.), GUBLER (R.), YAMAGUCHI (Y.) - Hydrogen. - IHS Hydrogen Chemical Economics Handbook (2018).
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(6) - SURESH (B.), HE (H.), GUBLER (R.), YAMAGUCHI (Y.) - Hydrogen. - IHS Hydrogen Chemical Economics Handbook (2015).
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DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
Congrès WHEC (World Hydrogen Energy Conference). Sous l’égide de l’International Association for Hydrogen Energy IAHE, depuis 1976, tous les deux ans, se tient une des plus importantes et des plus anciennes conférences sur l’hydrogène énergie, la WHEC. Ces conférences sont à tour de rôle organisées par la communauté hydrogène-énergie d’un pays dans le monde
Congrès WHTC. Conférence mondiale annuelle sur les technologies de l’hydrogène
Congrès F-CELL. Congrès international et exposition annuels sur les technologies de piles à combustible
Salon FC EXPO – INTERNATIONAL FUEL CELL EXPO. Salon annuel et conférence internationale présentant tous types de technologies, d’équipements et de produits relatifs à la pile à combustible
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