III.1- La production d'hydrogène
Présent partout mais disponible nulle part
L’hydrogène est extrêmement abondant sur notre planète. Chaque molécule d’eau (H2O) est le fruit de la combinaison entre un atome d’oxygène et deux atomes d’hydrogène. Or, l’eau couvre 70 % du globe terrestre.
L’hydrogène se trouve également dans les hydrocarbures qui sont issus de la combinaison d’atomes de carbone et d’hydrogène. Enfin, la biomasse constitue une autre source potentielle d’hydrogène puisque tout organisme vivant composé d’H2.
Cependant, même s'il représente l’élément le plus abondant de la planète, l’hydrogène n’existe pratiquement pas dans la nature à l’état pur. L’hydrogène pourrait donc être converti en énergie de façon inépuisable… à condition de savoir le produire en quantité suffisante.
Il existe aujourd'hui différentes méthodes de production qui sont opérationnelles, mais, pour l'instant, aucune ne répond vraiment aux trois critères de production, à savoir: la compétitivité, le rendement énergétique et la propreté. Les coûts de production restent notamment très élevés, ce qui est un obstacle pour des utilisations massives. De nouvelles voies prometteuses sont en cours d’élaboration.
95 % de l’hydrogène est produit à partir des combustibles fossiles par reformage : cette réaction chimique casse les molécules d’hydrocarbure sous l’action de la chaleur pour en libérer l’hydrogène.
Le vaporeformage du gaz naturel (à forte concentration de méthane) est le procédé le plus courant : le gaz naturel est exposé à de la vapeur d’eau très chaude, et libère ainsi l’hydrogène qu’il contient.
Les équations de la réaction s'écrivent:
CH4 + H2O→CO + 3H2
CO + H2O→CO2 + H2
On
voit donc que la production d’hydrogène par reformage a l’inconvénient de
rejeter du gaz carbonique (CO2) dans l’atmosphère, principal
responsable de l’effet de serre. Pour éviter cela, la production d’hydrogène à
partir de combustibles fossiles supposerait donc d’emprisonner le gaz
carbonique par des techniques qui doivent faire l’objet de développements.
L’hydrogène produit à partir du gaz naturel est le procédé le moins cher. Mais
son prix de revient reste le triple de celui du gaz naturel. Comme ce mode de
production est polluant et comme les ressources en énergies fossiles sont
appelées à décroître, diversifier les modes de production s’avère
indispensable.
Ainsi,
des ressources fossiles et technologiques pour produire l'hydrogène
seront nécessaires pour les dizaines
d'années à venir et aideront à basculer
vers le système hydrogène: au fur et à mesure que les énergies renouvelables
deviendront compétitives et les carburants fossiles rares, nous transiterons
vers un hydrogène renouvelable. A long terme, l'électrolyse de l'eau par
énergie renouvelable deviendra la plus importante technologie de production
d'hydrogène...
L'électricité est utilisée pour séparer l'eau en hydrogène et oxygène. Il y a 2 types d'électrolyse: alcaline et PEM.
L'électrolyse
alcaline
est la technologie le plus à maturité. Un courant électrique est
appliqué à un liquide électrolyte conducteur. L'électrolyte contient de
l'hydrogène et de l'oxygène, quand un courant est appliqué, ceux-ci sont
transformés en ions. Les ions seront attirés vers chacune de
leurs électrodes.
Dans
une électrolyse PEM, l'électrolyte
est
une membrane échangeuses de polymères solides: sur le côté anode de la
membrane, l'eau est séparée entre hydrogène et oxygène. L'hydrogène est
ensuite séparé en un ion qui migre à travers la membrane et un électron qui
suit le courant appliqué. Du coté de la cathode, les ions et électrons
d'hydrogène réagissent et créent de l'hydrogène.
Cela rend possible l'électrolyse d'eau pure, et donc une plus grande pureté de l'hydrogène.
3-Production directe à partir de la biomasse
Une autre source de production d'hydrogène: la biomasse. Elle comprend tous les végétaux (bois, paille, etc.) qui se renouvellent à la surface de la Terre. L’hydrogène est produit par gazéification, laquelle permet l’obtention d’un gaz de synthèse (CO + H2). Après purification, celui-ci donne de l’hydrogène. Cette solution est attrayante car la quantité de CO2 émise au cours de la conversion de la biomasse en hydrogène est à peu près équivalente à celle qu’absorbent les plantes au cours de leur croissance ; l’écobilan est donc nul.
Un jour, il sera peut-être possible de produire de l'hydrogène à partir de bactéries et de micro algues. On a en effet découvert récemment que certains de ces organismes avaient la particularité de produire de l'hydrogène sous l'action de la lumière. Mais ce procédé n'en est aujourd'hui qu'au stade du laboratoire.
Micro algue pouvant produire de l'hydrogène
Nous savons aussi qu’une équipe internationale de chimistes est parvenue à copier le site actif d’une enzyme capable de produire de l’hydrogène et de l’utiliser comme source d’énergie. En effet, cette molécule favorise la transformation d’ion hydrogène en atome d’hydrogène.
Le grand challenge de la production d'hydrogène est donc d'améliorer la technologie et d'augmenter la production à une échelle suffisante pour permettre de diminuer le prix de l'hydrogène....
Tableau
regroupant les différentes sources et méthodes pour produire de l'hydrogène
La filière Hydrogène
La biomasse est l’ensemble de la matière vivante, animale et végétale, présente dans un milieu naturel donné. Appliqué à l'énergie, le mot biomasse désigne les formes d'énergie tirées du vivant : chaleur issue de la combustion du bois, biocarburants fabriqués à partir du colza ou de la betterave, biogaz tiré des boues d’épuration et des déchets animaux et végétaux contenus dans les décharges.
Usine de vaporeformage. © Air Liquide
Procédé de gazéification
Site actif: Site particulier dans une molécule d'une enzyme (protéine catalysant, accélérant une réaction chimique) où se lient les substrats et où se produit la réaction enzymatique.