Hydrogène : de la théorie aux applications pratiques

La révolution de l’hydrogène aura-t-elle lieu ? (3/3). Électrolyseur, pile à combustible, moteur Wankel : derrière ces noms barbares se cachent trois machines amenées à devenir banales si la révolution de l’hydrogène a lieu. Troisième étape : place aux applications pratiques.

En 1999 – année idéale pour les classements et bilans en tout genre – le magazine américain Life eut l’idée présomptueuse (et diablement compliquée) de définir la liste des 100 personnalités les plus importantes du millénaire sur le point de s’achever [1]. A la première place de ce classement, coiffant sur le fil Galilée, de Vinci, Newton, Pasteur, Colomb, Magellan, Rockefeller et tant d’autres, figure un scientifique américain du XXème siècle : Thomas Edison.

S’il ne faut retenir qu’une seule invention parmi les centaines qu’il a réalisées au cours de sa prolifique existence, Thomas Edison mit au point l’ampoule à incandescence en observant une brindille de bambou bruler, un matin de l’année 1878 [2]. Cette invention, désuète puisque ce type d’ampoule est désormais interdit en France, donnera le coup d’envoi de la formidable histoire de l’électricité, et consécutivement de toutes les avancées, inventions et autres progrès que ce nouveau vecteur énergétique a pu engendrer.

Quelques années plus tôt, en 1863, John D. Rockefeller construit son premier atelier de raffinage de pétrole, à Cleveland. Le pétrole ne sert alors qu’à l’éclairage, mais cela ne va pas durer. La première brique du gigantesque empire de la Standard Oil vient d’être posée : l’aventure pétrolière mondiale peut commencer. [3]

A cette époque, paradoxalement, le gaz hydrogène est déjà connu depuis années. D’abord appelé « air inflammable » par Henry Cavendish, c’est Antoine Lavoisier qui le nomme définitivement hydrogène à la fin du XVIIIème siècle. A l’instar de l’électricité, ce gaz pourrait devenir, dans les années qui viennent, un vecteur énergétique incontournable de la transition énergétique, puisqu’il permettrait de stocker facilement l’énergie intermittente des énergies renouvelables naissantes [4].

Pour cela, il faut d’une part le créer, à partir d’une source énergétique pré-existante, et d’autre part le consommer, en fournissant un service énergétique à son utilisateur.

Que l'hydrogène soit

En 1800, deux britanniques William Nicholson et Anthony Carlisle, mettent au point un processus qui utilise de l’énergie électrique (électro-) pour casser (-lyse) des molécules d’eau et former de l’hydrogène et de l’oxygène : l’électrolyse de l’eau [5]. Le principe est simple : on plonge deux conducteurs métalliques (des électrodes, dans le jargon scientifique) dans une solution d’eau salée (l’électrolyte, toujours dans le même jargon), reliées à une source électrique continue (une pile par exemple), et il se formera naturellement une réaction qui générera du dihydrogène sur l’électrode négative (la cathode), et du dioxygène sur l’électrode positive (l’anode). [6]

Principes de fonctionnement d'un électrolyseur alcalin © Valentin Bouvignies Principes de fonctionnement d'un électrolyseur alcalin © Valentin Bouvignies

L’énergie apportée par la source électrique permet de casser les molécules d’eau, H2O, en deux molécules plus simples : une molécule de dihydrogène H2, et une molécule de dioxygène O2, selon ce que les chimistes appellent une réaction d’oxydoréduction.

Faites l’expérience chez vous : prenez une pile neuve de 1,5 V, un verre d’eau généreusement salée, et deux fils électriques : plongez une extrémité de chaque fil dans l’eau (sans qu’ils se touchent), l’autre sur chaque borne de la pile, et vous verrez apparaitre de minuscules bulles de gaz sur l’extrémité issue de la borne négative : le fameux dihydrogène.

Bravo, vous avez fabriqué un électrolyseur artisanal ! Les processus industriels sont légèrement plus complexes : ils reposent sur le même principe, avec néanmoins quelques adaptations indispensables pour générer de gros volumes avec des rendements optimaux. En pratique, on distingue des variantes tant sur la structure des électrodes que sur le type d’électrolyte.

Et l'hydrogène fut

Un électrolyseur industriel peut disposer d’électrodes monopolaires, pour les appareils de faibles capacités, ou bipolaires pour les appareils plus puissants. Dans ce dernier cas, les électrodes ont la forme de plaques intercalaires, séparant plusieurs cellules d’électrolytes, et jouant le rôle de cathode d’un côté et d’anode de l’autre. Cette technologie permet une densité de courant plus élevée et une meilleure compacité.

L’électrolyte peut également prendre plusieurs formes. Dans la majorité des applications actuelles, il est composé de potasse [7] sous forme liquide : c’est l’électrolyse dite alcaline, similaire à l’expérience réalisée avec la pile de 1,5 V. Ici, c’est le transfert des ions OH- à l’intérieur de la solution qui permet la réaction.

Or cette technologie comporte quelques inconvénients, résolus en partie dans l’électrolyse dite PEM (ou acide PEM), acronyme anglo-saxon signifiant Proton Exchange Membrane. Comme son nom l’indique l’électrolyte est alors une membrane polymère, solide, dans laquelle le mouvement des protons (des ions H+) permet la réaction chimique à l’origine de la formation de l’hydrogène et de l’oxygène.

Cette technologie d’électrolyse PEM est mature et d’ores et déjà utilisée dans des applications spatiales et sous-marines [8]. Dans ces industries-là, l’intérêt de l’électrolyse réside plutôt dans la production d’oxygène, et non dans celle d’hydrogène, mais qu’importe, le fonctionnement reste exactement le même.

Nous voici donc, dans quelques années, avec notre stock d’hydrogène, produit à l’aide d’un électrolyseur alcalin ou PEM, alimenté par une source d’énergie renouvelable : une éolienne ou un panneau solaire. Aujourd’hui, malheureusement, ce cas de figure reste théorique puisque 90 % de la production d’hydrogène industriel utilise un autre procédé : le vaporeformage d’hydrocarbures. Un nom barbare pour qualifier un procédé qui ne l’est pas moins du point de vue de la transition énergétique puisqu’il nécessite l’emploi d’énergies fossiles (du méthane principalement), et qu’il émet des quantités importantes de gaz à effet de serre... [9]

Bref, notre stock d’hydrogène vert est prêt à l’emploi. Deux options s’offrent alors à nous : la première consiste à recréer de l’électricité au moment opportun, la seconde à faire tourner un moteur.

PAC : l'électricité ressuscitée

Récréer de l’électricité à partir d’hydrogène nécessite une pile à combustible, que les amateurs de diminutifs appelleront PAC. Et pour cela, rien de plus simple car une pile à combustible n’est rien d’autre qu’un électrolyseur… fonctionnant à l’envers !

Il existe plusieurs types de piles à combustibles, de la même manière qu’il existe plusieurs type d’électrolyseur. Comme pour ces derniers, les deux technologies de PAC les plus courantes sont les piles à combustible alcalines et les piles PEM. Dans les premières, l’électrolyte est liquide et ce sont les ions OH- qui transfèrent l’énergie nécessaire à l’apparition du courant, dans les secondes, il est solide et ce sont les protons H+ qui permettent l’émergence de l’électricité.

Principe de fonctionnement d’une pile à combustible PEM (Proton Exchange Membrane) © Valentin Bouvignies Principe de fonctionnement d’une pile à combustible PEM (Proton Exchange Membrane) © Valentin Bouvignies

Les piles à combustibles alcalines sont plus anciennes, plus encombrantes, moins prometteuses, et ne peuvent dépasser une puissance électrique de 100 kW environ.

Pour les piles PEM, la réaction est lente, et pour palier à cet inconvénient de taille, il faut employer un catalyseur : un élément chimique qui ne participera pas à la réaction, mais qui va l’accélérer. Ce catalyseur sera le platine – la pile PEM a bon goût – un des métaux les plus chers au monde : un gramme de platine avoisine les 30 euros. [10]

Les recherches se poursuivent pour remplacer ce métal précieux indispensable à cette technologie, qui est à l’origine du principal inconvénient de la pile à combustible PEM. En effet, outre son prix, c’est un métal dont 90 % des réserves prouvées sont situés dans deux pays seulement : l’Afrique du Sud (75 %) et la Russie (15 %), ce qui n’est jamais idéal pour une ressource indispensable [11].

Ainsi, la pile à combustible permet, à partir d’hydrogène, de retrouver l’électricité indispensable pour faire fonctionner ordinateurs, ampoules, téléphones, plaques électriques, appareils électroménagers, etc.

Le moteur du sieur Wankel

Pour les applications motorisées (voiture, train, avion), nul besoin d’électricité : les caractéristiques exothermiques de la combustion de l’hydrogène permettraient d’en faire un carburant… sur le papier. Malheureusement, sa faible densité n’en fait pas un bon candidat pour les moteurs qui équipent la quasi-totalité des automobiles thermiques d’aujourd’hui.

Exit donc le moteur à piston 4 temps, place au moteur Wankel. Né en 1902, Felix Wankel est un ingénieur allemand, passionné d’automobile, qui se mit en tête, dans l’entre-deux-guerres, d’imaginer un moteur à piston rotatif. A mille lieux des considérations écologiques, le but de l’allemand était d’éviter les secousses et vibrations inhérentes au déplacement transversal des pistons des moteurs classiques.

Il trouve la solution grâce à un piston de forme triangulaire : le moteur Wankel est né [12]. Ce moteur fonctionne dans un premier temps à essence, et ce n’est que dans les années 90 que le constructeur Mazda commence à équiper des voitures avec la technologie du moteur Wankel à hydrogène [13]. Néanmoins, ces voitures ne restent pour l’heure qu’à l’état de prototype, et les seules voitures à hydrogène actuellement sur le marché sont en fait des voitures à moteur électrique équipée de pile à combustible.

Ingénieurs et chercheurs ont encore fort à faire pour améliorer ces électrolyseurs, piles à combustible et autres moteurs Wankel, sans lesquelles la révolution de l’hydrogène n’aura pas lieu. Les défis industriels sont importants pour ces différentes machines : les coûts sont encore élevés, les rendements encore faibles, et des leviers, voire des ruptures technologiques seront nécessaires pour démocratiser ces technologies. Si nous sommes à l’aube d’une révolution, elle nécessitera des moyens intellectuels, financiers, et surtout un engagement et une volonté partagée par la plupart des acteurs.

On le constate chaque jour au quotidien : il n’y a pas de solution miracle prête à l’emploi pour résoudre les défis énergétiques d’aujourd’hui et de demain. Il faut la faire émerger, et cela ne se fera pas sans une bonne dose de matière grise, de coopération et de volonté de changer le système actuel.

Rien d’insurmontable là-dedans : au début des années 70, le pouvoir politique français a demandé aux industriels de révolutionner la production électrique nationale en misant sur la technologie nucléaire, certes prometteuse, mais que les ingénieurs chercheurs français étaient loin de maitriser dans les moindres détails. Comme pour Thomas Edison ou John D. Rockefeller dans les années 1870, espérons qu’une nouvelle aventure industrielle nous attend.

Article précédent : hydrogène : la promesse d'un nouveau vecteur énergétique ?

 

Pour aller plus loin :

[1] The Life Millenium: The 100 Most Important Events and People of the Past 1000 Years, édition du magazine Life du 1er septembre 1998.

[2] Histoire de l'électricité. Lumières d'hier et d'aujourd'hui, Marie-Christine de La Souchère, éditions Ellipses.

[3] Or noir, la grande histoire du pétrole, Matthieu Auzanneau, éditions La Découverte.

[4] Articles La révolution de l’hydrogène aura-t-elle lieu ? et L’hydrogène : la promesse d’un nouveau vecteur énergétique sur ce même blog.

[5] Inventeurs et scientifiques. Dictionnaire de biographies, éditions Larousse, 1994.

[6] Association française pour l’hydrogène et les piles à combustible (Afhypac), Fiche 3.2.1 Production d’hydrogène par électrolyse de l’eau, rédigée par Thierry Alleau, dernière révision en septembre 2019.

[7] La potasse, appelé également hydroxyde de potassium, est une solution aqueuse de composition chimique KOH (ions potassium K+ et ions hydroxydes OH-), le potassium est un élément chimique faisant partie des métaux alcalins. On utilise la potasse dans l’industrie des engrais, pour la fabrication du savon, ou dans les adoucisseurs des maisons. La potasse est également utilisée dans les piles électriques… alcalines.

[8] Données issues du site internet L’élémentarium créé par la Société Chimique de France et financé par les Ministères en charge de l’Éducation Nationale et de l’Enseignement Supérieur, et notamment de son article consacré au dihydrogène.

[9] Blog de Jean-Marc Jancovici, Que peut-on espérer des piles à combustible et de l’hydrogène ?, article de Jean-Marc Jancovici, publié le 1er mars 2000 mis à jour le 1er août 2006.

[10] Association française pour l’hydrogène et les piles à combustible (Afhypac), Fiche 5.2.2 La pile à combustible de type PEM, rédigée par Thierry Alleau, dernière révision en mars 2019.

[11] Le platine est un métal qui possède des propriétés catalytiques exceptionnelles, il est d’ailleurs employé dans les pots d’échappement des voitures (dits pots catalytiques) : ainsi près de 15 % de la quantité annuelle de platine produit dans le monde provient en fait du recyclage de ces pots d’échappement. Données issues du site internet L’élémentarium créé par la Société Chimique de France et financé par les Ministères en charge de l’Éducation Nationale et de l’Enseignement Supérieur, et notamment de son article consacré aux platinoïdes.

[12] Pour voir le fonctionnement d’un tel moteur, consultez la modélisation réalisée par l’Université du Maine (Le Mans – Faculté des Sciences exactes et naturelles).

[13] Mazda, Dossier de presse, RX-8 Hydrogen RE – Premacy Hydrogen RE Hybrid, 2009.

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