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EnglishRÉSUMÉ
L’électrolyse de l’eau permet de produire de l’hydrogène sans relâcher de gaz carbonique. Dans cet article, les principes scientifiques qui la gouvernent sont rappelés. Ensuite, les différents procédés électrolytiques actuels sont passés en revue. La méthode est brièvement comparée aux procédés concurrents. L’article évoque également les différentes techniques de stockage de l’hydrogène ainsi que l’analyse du cycle de vie des chaînes de production, en tenant compte de l’économie des ressources. Enfin, deux applications stationnaires sont brièvement discutées.
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André Rahier : Docteur en Électrochimie appliquée - Ingénieur chimiste - Chercheur indépendant, Wonck, Belgique
INTRODUCTION
Sauf exception anecdotique le gaz dihydrogène communément appelé hydrogène n’existe pas à l’état naturel. Il est donc nécessaire de le préparer de différentes façons. Parmi ces méthodes la préparation électrolytique constitue une voie particulière de conversion de l’électricité. L’hydrogène ainsi produit nécessite un stockage temporaire dont la technologie dépend de l’usage ultérieur.
L’hydrogène est un vecteur énergétique mais pas un combustible naturel dans la mesure où sa production nécessite la mise en œuvre d’énergie dont l’origine est à prendre en compte. Si la combustion de l’hydrogène ne libère pas d’espèce polluante, il convient encore de produire l’énergie nécessaire de manière propre. Les réactions électrochimiques impliquent aussi la conversion d’une énergie électrique en énergie chimique (cas de l’électrolyse) ou l’inverse (cas des piles et batteries en cours de décharge). Ces conversions peuvent théoriquement atteindre des rendements de 100 %. En pratique, ces rendements sont bien entendu limités par suite de l’existence de pertes diverses impliquant la formation de chaleur, mais la situation est nettement plus favorable que dans le cas où l’énergie à convertir est constituée uniquement par de la chaleur. En effet, dans ce dernier cas, le second principe de la thermodynamique impose un rendement maximum qui dépend de la différence entre une température élevée et une température basse (principe de Carnot). Dans ces conditions, il n’est théoriquement pas possible d’obtenir un rendement de 100 % car cela impliquerait une température infinie. Les conversions électrochimiques sont donc prometteuses parce qu’elles offrent la perspective d’améliorer les rendements en mettant en œuvre de nouvelles avancées technologiques.
Si l’on considère une chaîne complète comprenant plusieurs conversions de l’énergie sous différentes formes, l’économie des ressources impose naturellement de rendre maximum le produit des rendements des différentes conversions successives. Ainsi, dans le cas du transport, on pourrait imaginer la production d’électricité dans une centrale thermique (et mieux encore, photovoltaïque ou éolienne), suivie par le stockage de l’énergie électrique sous forme chimique (hydrogène obtenu par électrolyse de l’eau), puis par la conversion de l’énergie chimique en énergie d’abord électrique (piles à combustible), puis mécanique (moteur électrique). Une telle chaîne permet d’économiser au mieux les ressources en rendant maximum les rendements de conversion. Par contre, si dans cette même chaîne, on remplace les deux dernières étapes par un moteur à combustion interne alimenté par l’hydrogène, on se heurte à nouveau à la limitation de Carnot, dérogeant ainsi au principe d’économie des ressources. Notons que la chaîne peut s’arrêter à la restitution de l’énergie dans le cas des applications stationnaires visant à alimenter les habitations en électricité et chaleur de manière quasiment autonome. Outre ces considérations, les conversions électrochimiques présentent aussi l’avantage supplémentaire de limiter très souvent les rejets d’agents polluants dans l’environnement.
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4. Conclusion
À l’heure actuelle, il est clair que la production d’hydrogène par électrolyse de l’eau n’est pas commercialement compétitive. En revanche, elle ouvre la voie vers une civilisation de l’hydrogène en tant que vecteur énergétique propre, permettant de stabiliser le taux de CO2 dans l’atmosphère, pour autant que l’énergie électrique utilisée soit aussi produite par des procédés à faible empreinte carbone. Toutefois, le remplacement des carburants fossiles par l’hydrogène ne pourra être que progressif pour plusieurs raisons. En premier lieu, la production mondiale actuelle est de loin insuffisante pour permettre un remplacement rapide des carburants usuels par l’hydrogène. La transition énergétique ne sera possible que si l’on augmente considérablement les capacités de production. Le constat est particulièrement instructif lorsque l’on considère le secteur du transport qui constitue l’une des principales sources de rejet de CO2 dans l’atmosphère. En effet, en supposant que le transport en général évolue vers un remplacement des carburants actuels par de l’hydrogène consommé dans des véhicules équipés de piles à combustible, on peut estimer la quantité d’hydrogène qui serait nécessaire pour couvrir les besoins du transport. Selon le site Planetoscope, le nombre de kilomètres parcourus annuellement en France (tous véhicules confondus) était de 725 milliards de kilomètres en 2012. En supposant que ce chiffre évolue à la hausse jusqu’à 1 000 milliards de kilomètres et qu’en moyenne la consommation de carburant à prendre en compte est celle de véhicules automobiles de taille moyenne consommant 1 kg d’hydrogène par 100 km , la production annuelle d’hydrogène nécessaire pour couvrir tous les déplacements en France serait de 10 Mt, soit un sixième de la production mondiale en 2015. Et dans le même temps, la généralisation de l’hydrogène dans ce seul secteur en France permettrait d’éviter...
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BIBLIOGRAPHIE
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(4) - GIRAULT (H.) - Électrochimie physique et analytique. - Presses Polytechniques et Universitaires Romandes (2001).
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(5) - BARD (A.), FAULKNER (L.) - Electrochemical methods. Fundamentals and Applications. - Wiley & Sons (1980).
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(6) - VOGT (H.) - The...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
Mobilité des Français d’après Planétoscope : https://www.planetoscope.com/automobile/114-nombre-de-kilometres-parcourus-les-francais.html
Principales sources d’émission de CO2 d’après Huffingtonpost : https://www.huffingtonpost.fr/2015/11/28/gaz-effet-serre-sources-co2-industrie-electricite-chauffage-transport_n_8591192.html
HAUT DE PAGE
ISO 14040 (2006), Management environnemental – Analyse du cycle de vie – Principes et cadre (https://www.iso.org/obp/ui/#iso:std:iso:14040:ed-2:v1:fr)
HAUT DE PAGEConstructeurs – Fournisseurs – Distributeurs (liste non exhaustive)
IHT, Industrie Haute Technologie (Suisse) http://www.iht.ch/technologie/electrolyse/industry/electrolyse-sous-haute-pression-systemelurgi.html
ELT – Elektrolyse Technik GmbH (Allemagne) http://www.elektrolyse.de
Hydrogenics (Canada)...
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