La Recherche - Veolia Environnement

TECHNOLOGIE HYDROGÈNE
Marie Schal
est journaliste
scientifique.
Le plein de H 2 ?
Carburant prometteur pour les transports, l’hydrogène pose toujours
de multiples problèmes, presque à tous les niveaux.
Rouler à 130 kilomètres à l’heure sur l’autoroute
en ne rejetant que de la vapeur
d’eau : c’est possible. Plus de 400 véhicules
expérimentaux et une centaine d’autobus
à pile à combustible, roulant tous à
l’hydrogène, circulent aujourd’hui dans le monde.
Pour les ravitailler, 140 stations-service sont déjà
opérationnelles et 90 sont en construction depuis
avril 2007, principalement en Amérique du Nord,
en Europe et au Japon.
Si les principaux constructeurs automobiles se sont lancés
dans la course en développant leurs prototypes, c’est
que les promesses de l’hydrogène sont immenses. C’est
le carburant idéal pour se déplacer sans consommer
d’énergie fossile ni rejeter de gaz à effet de serre.
Couplé à une pile à combustible, il ne dégage aucun
polluant. Et il a l’avantage de doter le véhicule
de suffisamment d’autonomie, environ 400 kilo-
mètres (km), quand les voitures électriques actuelles
doivent recharger leurs batteries, environ tous les
150 km. Seul problème : la filière est, pour l’instant, hors
de prix. Production, distribution, stockage, véhicules :
tous les maillons sont à améliorer. « L’automobile est
l’application royale pour l’hydrogène, mais c’est aussi
celle qui concentre le plus de difficultés, car le cahier
des charges est très sévère », explique Jean-Marc Agator,
du Commissariat à l’énergie atomique.
Premier verrou : la production. Dans la nature, l’hydrogène
ne se trouve pas sous forme gazeuse (H 2 ),
mais combiné à d’autres éléments chimiques. La
moitié des 65 millions de tonnes d’hydrogène produites
chaque année dans le monde, pour les besoins
de l’industrie chimique et des raffineries, est obtenue
par « vaporeformage » du gaz naturel : celui-ci est
chauffé à plus de 700° C en présence de vapeur d’eau.
Un procédé voisin consiste à gazéifier le charbon, le
pétrole ou une source d’énergie renouvelable comme
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la biomasse (paille, bois...). Seul bémol, cela produit
du dioxyde de carbone, qu’il est impératif de
piéger pour ne pas contribuer à l’effet de serre : c’est
l’objectif de projets de recherche ambitieux comme
HypoGen et FutureGen (lire « Objectif : zéro émission
» p. 60). Troisième solution : la décomposition
de l’eau en hydrogène et en oxygène, soit par des
procédés innovants à haute température, soit par
électrolyse, à condition, là encore, que l’électricité
utilisée provienne d’une source d’énergie non émettrice
de gaz à effet de serre. En fait, pour couvrir les
besoins des transports, l’idéal serait une production
d’hydrogène décentralisée (par « reformage autotherme*
»), au niveau des véhicules ou des stationsservice.
Mais son coût actuel peut dépasser 35 euros
par gigajoule* , soit plus du double de celui de l’essence
hors taxe.
Encore beaucoup d’obstacles
Deuxième difficulté : le transport et le stockage. On
peut l’acheminer par gazoduc, une infrastructure
coûteuse. Il faut ensuite le conserver à bord du
véhicule, soit sous haute pression (350 à 700 bars),
soit sous forme liquide à – 253° C. Dans ces deux
cas, l’objectif est d’embarquer 4 ou 5 kilogrammes
d’hydrogène : de quoi rouler 400 ou 500 kilomètres.
Mais les réservoirs sont très encombrants. Et l’énergie
nécessaire à la compression ou au refroidissement
du gaz représente respectivement 12 % et 30 % de
celle contenue dans le carburant. Une des solutions
envisagées serait de stocker l’hydrogène au sein de
composés solides comme des hydrures métalliques,
matériaux poreux où l’hydrogène peut être piégé et
relâché selon la température.
Troisième et principal obstacle : la pile à combustible.
Elle est trop chère et manque de fiabilité et de
durabilité. « La technologie est encore jeune, même
CHEZ BMW,
LE CHOIX EST CLAIR :
MOTEURS À COMBUSTION
ET RÉSERVOIRS
À HYDROGÈNE LIQUIDE
(À -253°C).
si le principe date de 1839 ! »,
souligne Jean-Marc Agator.
Embarquée à bord du véhicule,
elle produit l’électricité alimentant le moteur
par un processus chimique inverse de l’électrolyse :
l’hydrogène réagit avec l’oxygène de l’air. Seul rejet :
de l’eau. L’opération est très efficace du point de vue
énergétique. Mais le coût d’une pile à « membrane
échangeuse de protons » (PEMFC), la plus utilisée
pour les transports, dépassait encore 1 200 euros par
kilowatt (€/kW) en 2007, contre 35 €/kW de puissance
pour un moteur à essence. Une alternative,
adoptée entre autres par le constructeur BMW, est
de brûler directement l’hydrogène dans un moteur à
combustion adapté. Une solution intermédiaire pour
initier une « économie de l’hydrogène ». Mais « on
cumule alors les inconvénients liés à la production et au
stockage de l’hydrogène, pour l’utiliser dans un véhicule
avec les performances d’un moteur thermique, juge
Daniel Clément, de l’Agence de l’environnement et
de la maîtrise de l’énergie. Ce n’est pas une bonne
solution à long terme. Il faut repenser complètement
l’automobile et privilégier l’efficacité énergétique ».
Les efforts de recherche des États-Unis, avec un
budget de 1,2 milliard de dollars annoncé en 2003
sur cinq ans pour la filière, vont dans ce sens, tout
comme ceux du Japon. En octobre 2007, c’est un
© JAN VAN DE VEL/REPORTERS-REA
TECHNOLOGIE HYDROGÈNE
partenariat européen de recherche public-privé qui a
été lancé pour six ans : cette « initiative technologique
conjointe pour l’hydrogène et la pile à combustible »
sera financée par la Commission européenne et par
les 50 industriels membres, chacun à hauteur de
470 millions d’euros. Pour soutenir la filière, « il est
maintenant important d’identifier des niches, même si
ce n’est pas l’enjeu principal à long terme », explique
Daniel Clément. Tels les autobus à hydrogène, dont
les contraintes d’encombrement sont moindres, ou
les véhicules transportant les charges dans les aéroports.
En attendant de plus gros marchés. « Compte
tenu des connaissances, on peut espérer une rupture
technologique majeure dans cinq à dix ans, estime
Jean-Marc Agator. À partir du moment où les piles à
combustible à hydrogène atteindront des performances
égales ou supérieures à celles d’un moteur à essence,
on peut penser qu’elles s’imposeront largement, sauf
progrès déterminants sur les véhicules électriques à
batterie. » Dans le scénario favorable avancé par
l’Agence internationale de l’énergie (1), l’hydrogène
pourrait ainsi faire son apparition sur le marché en
2020 et alimenter 700 millions de véhicules en 2050,
soit 30 % de la flotte mondiale. ● M. S.
POUR EN SAVOIR PLUS
La Révolution de l’hydrogène : vers une énergie propre
et performante ?, S. Boucher, Éditions du Félin, 2006.
La Pile à combustible, M. Boudellal, Dunod/
L’Usine nouvelle, 2007.
L’Hydrogène, les nouvelles technologies
de l’énergie, Clefs CEA, hiver 2004-2005, www.cea.fr
Les véhicules à hydrogène : www.h2mobility.org
(en anglais).
CET HYDRURE
MÉTALLIQUE, ICI AU
MICROSCOPE À BALAYAGE,
EST UNE « ÉPONGE
À HYDROGÈNE » : UNE
SOLUTION POUR LES
RÉSERVOIRS DES PILES
À COMBUSTIBLE ?
(1) Energy
Technology
Essentials,
Hydrogen Production
and Distribution, IEA
Publications, 2007.
* Dans le
« reformage
autotherme »,
un carburant (gaz
naturel, méthanol,
hydrocarbure) est
mélangé avec de
l’air et de l’eau.
* Un gigajoule
équivaut à
8,3 kilogrammes
d’hydrogène.
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© PHOTOTHÈQUE CNRS/J.-M. JOUBERT