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2 mai 2014 5 02 /05 /mai /2014 09:48

2 Mai 2014

Aujourd’hui l’énergie est disponible sans limitation de quantité et pour un coût relativement raisonnable.

Une voiture peut rouler de Brest à Vladivostok pour une dépense en carburant égale au budget annuel moyen qu’un ménage français consacre aux services d’information et communications, selon INSEE.

On peut se procurer partout et sans aucune espèce de difficulté du fuel domestique, du gazole, du supercarburant, du gaz naturel, de l’électricité, du GPL, du bois de chauffe, du charbon, et même de l’Hydrogène.

Dans ce contexte, imaginer un monde de restriction et/ou de quotas énergétiques assortis de pénalités appliquées aux émissions de CO2 et autres gaz à effet de serre, et/ou aux émissions de nanoparticules et autres polluants, est un exercice intellectuel rendu très difficile, à la limite de la fiction tragique digne d’un film catastrophe de série B.

Et pourtant cet exercice est nécessaire car, si l’on en croit les augures du GIEC et les prévisionnistes du « peak oil », nous devons nous attendre à des lendemains très difficiles, même si la date de l’échéance reste incertaine.

Certes, demain est un autre jour, et tant que l’orchestre joue, pourquoi ne pas continuer à danser ? Il sera bien temps le moment venu de prendre des dispositions.

Encore une minute Monsieur le bourreau.

Mais prenons garde à ne pas dépasser la date limite sinon, comme pour Cendrillon, le carrosse pourrait se transformer en citrouille.

Tenter de jouer les trouble-fêtes au milieu de cette insouciance est aussi un exercice difficile, mais il faut bien se résoudre à jouer les docteurs tant pis si cela peut nous éviter d’avoir affaire un jour au père fouettard.

Dans un scénario dépourvu d’énergies fossiles et de Nucléaire, les énergies vertes tenteront de subvenir à nos besoins, qui sont immenses.

Pour alimenter un pays en énergie il faut remplir quatre conditions:

La première est d’avoir accès à des sources énergétiques.

La seconde est d’avoir un ou des vecteurs d’énergie.

La troisième est d’avoir un réseau de distribution.

La quatrième est de pouvoir stocker cette énergie.

Nous avons vu dans un article précédent comment ces quatre conditions sont remplies avec le mix énergétique actuel:

Les sources d’énergie sont à 80% les fossiles et le minerai d’Uranium, importés en totalité.

Les vecteurs d’énergie sont les carburants liquides issus du raffinage, le combustible nucléaire préparé à partir du minerai d’Uranium, l’électricité fournie par des centrales, et directement le Gaz naturel dans des tuyaux.

Les réseaux de distribution sont spécifiques de l’électricité, du gaz, et des carburants liquides.

Nous avons montré que les centrales nucléaires permettent le stockage de l’électricité sous forme de combustible solide préparé à partir du yellow cake. Les carburants et le gaz sont stockés dans des sites spécifiques.

Dans un monde « vert » sans fossiles et sans nucléaire, voyons comment seront remplies les quatre conditions:

Nous aurons deux sources d’énergie primaire: Le rayonnement Solaire et pour une très faible part la radioactivité résiduelle des couches profondes de la croute terrestre, et l’énergie potentielle gravitationnelle (pesanteur).

Ces sources primaires, la première étant largement majoritaire, se dérivent en sources secondaires qui sont les vents, le cycle des eaux terrestres, les chutes d’eau, les courants marins, les marées, la houle, la Géothermie de surface, la Géothermie profonde, et la vie avec le cycle de la biomasse.

Ces sources secondaires sont exploitables grâce à des procédés technologiques divers connus:

Eoliennes, panneaux photovoltaïques, panneaux solaires thermiques, dispositifs thermiques à concentration solaire, barrages de haute chute, barrages au fil de l’eau, Hydroliennes, Pompes à chaleur, installations de méthanisation et de distillation de la biomasse.

Les vecteurs d’énergie seront l’électricité, la chaleur, les biogaz, les biocarburants.

Les biogaz et les biocarburants peuvent se stocker comme aujourd’hui le gaz naturel et les carburants pétroliers.

Mais ces deux vecteurs ne fourniront qu’une partie des besoins énergétiques, le reste incombera à l’électricité.

Avec deux inconvénients majeurs: La production d’électricité verte est intermittente et l’électricité ne se stocke pas (le combustible nucléaire ne sera plus là pour assurer cette fonction, faut-il le rappeler ).

Il est donc impératif de trouver un autre vecteur d’énergie qui puisse satisfaire la fonction de stockage.

C’est ici qu’intervient l’Hydrogène.

L’idée d’utiliser l’Hydrogène comme vecteur énergétique n’est pas nouvelle.

Ce gaz a été découvert en 1 766 par Cavendish.

Le mélange combustible appelé « Gaz Hydrogène » a été inventé en 1 785 et largement utilisé sous le nom de « Gaz d’éclairage » ou « Gaz de ville » pendant tout le XIXè siècle et la moitié du XXè.

Certains immeubles classés ont conservé leur plaque gravée mentionnant « Gaz à tous les étages », signe ostensible du standing bourgeois de leurs occupants.

Fabriqué par pyrolyse à partir de houille ou de coke, ce mélange gazeux contenait 50% d’Hydrogène, 32% de Méthane et 8% d’oxyde de Carbone et pas mal de résidus, dont le sulfure d’Hydrogène.

La présence d’oxyde de Carbone fut à l’origine de nombreux décès, et la technologie de l’époque ne permettait pas d’assurer une bonne étanchéité des canalisations, à l’origine de nombreuses fuites et odeurs pestilentielles dues aux résidus de produits soufrés, et d’explosions ou d’incendies meurtriers.

Il sera utilisé jusqu’au milieu du XXè siècle avant d’être supplanté par le Gaz Naturel (Gaz de Lacq en France).

Le premier moteur à combustion, inventé en 1804 par Isaac de Rivaz, fonctionnait à l’Hydrogène.

L’électrolyse de l’eau est connue depuis 1 800, et la première pile à Hydrogène a été inventée par William Grove en 1839 et utilisée industriellement par ATT jusqu’en 1860.

Lorsque Jules Verne prédisait en 1 874 que l’Homme futur puiserait dans l’eau une énergie illimitée, il ne faisait donc qu’extrapoler une technologie déjà bien au point. Mais ne brisons pas l’auréole du célèbre « inventeur » qui nous a tous fait rêver.

L’Hydrogène a donc déjà connu son heure de gloire, mais l’arrivée du pétrole abondant et du Gaz Naturel bon marché a évidemment balayé ces tentatives d’industrialisation.

Les applications industrielles de l’Hydrogène ont continué à se développer pour les besoins spécifiques de la chimie et de la pétrochimie, et surtout pour fabriquer l’Ammoniac NH3.

De nos jours il se consomme en Europe environ 9 millions de tonnes d’Hydrogène par an, distribués en bouteilles sous pression, ou à l’état liquide réfrigéré, ou à travers un réseau de distribution sous pression (100bar) par pipelines, qui couvre une grande partie de l’Europe avec 1500 kms de tuyaux.

Ce gaz n’existe pas à l’état naturel.

Il faut cependant signaler que des émissions d’Hydrogène naturel ont été constatées, y compris terrestres, et que des recherches sont en cours pour en déterminer l’importance et évaluer leur capacité de production. Voir notamment: <http://www.ifpenergiesnouvelles.fr/actualites/communiques-de-presse/l-hydrogene-naturel-une-contribution-au-mix-energetique-ifpen-etudie-le-potentiel-des-sources-d-hydrogene-naturel-a-terre>

Si ce nouveau filon est confirmé, l’Hydrogène deviendra non plus simplement un vecteur d’énergie, mais une source d’énergie non carbonée et inépuisable.

En attendant de toucher cet éventuel Jackpot, aujourd’hui l’Hydrogène doit être fabriqué en l’extrayant de molécules dans lesquelles il est lié à d’autres atomes.

Les plus courantes sont bien entendu l’eau, puis les Hydrocarbures.

Il existe deux procédés principaux:

Le vaporeformage d’Hydrocarbures, gros consommateur d’énergie et émetteur de CO2. C’est le procédé majoritairement utilisé ( > 95%).

Et l’électrolyse de l’eau, non polluante et fournissant un Hydrogène très pur.

D’autres procédés comme le craquage de l’eau existent également. ( La molécule d’eau violemment secouée à partir de 800 °C se dissocie spontanément par cassure des liaisons O-H . le procédé consomme beaucoup d’énergie).

La filière Hydrogène a pu être envisagée comme une opportunité en tant que vecteur d’énergie dans la mesure où l’électrolyse de l’eau peut être réalisée grâce à l’électricité verte lorsque l’offre excède la demande.

Cette électricité, ne pouvant être stockée, est donc valorisée sous forme d’Hydrogène. Sa combustion avec l’Oxygène ne dégage que de l’eau. Il peut être retransformé en électricité grâce à la pile à combustible, et il est stockable comme le gaz naturel aujourd’hui.

Toutes ces qualités en font le candidat privilégié des futurs vecteurs d’énergie.

Mais ce gaz est également capricieux et pas commode à utiliser:

- Ses molécules sont très petites, les plus petites existantes, ce qui lui confère la propriété de s’insinuer partout et donc de fuir très facilement. Sa manipulation nécessite des joints et des vannes spéciales. Il passe même à travers certains métaux par un phénomène de migration lente.

- En présence d’Oxygène il s’enflamme très facilement, et pour des concentrations de 4% à 75%. Il ne peut être utilisé qu’avec des règles de sécurité strictes. (Le célèbre accident du dirigeable « Hindenburg » nous en a administré une preuve qui a frappé les esprits pour longtemps).

- Il est très léger, donc il devra être fortement comprimé pour en obtenir une certaine masse.

Et c’est là que le bât blesse.

Le chimiste nous enseigne que 2g de di-Hydrogène (1 mol) gazeux occupent un volume de 22,4 L à température et pression normales.

Pour en avoir 1 kg il nous en faut donc 11 200 L.

Notre chimiste nous apprend que nous avons là une réserve d’énergie de 33,3 kWh ( Il parle de PCI, Pouvoir Calorifique Inférieur massique).

On se souvient qu’au début du XXè siècle le tiers des voitures fonctionnaient déjà à l’électricité, avec des batteries au plomb lourdes et peu performantes. Les actuelles batteries Lithium-ion sont plus légères, mais encore très lourdes. Une telle batterie, de 33 kWh, pèse environ 300 kg avec les accessoires.

Un seul kilo d’Hydrogène peut donc remplacer plusieurs centaines de kilos de batteries !

Sauf que 11 200 L ce n’est pas transportable dans une voiture !

Il faut donc réduire considérablement le volume de notre kilo d’Hydrogène. On peut le comprimer. à 10 kg de pression le volume tombe à 1 120 L à 100 kg il tombe à 112 l, c’est encore trop.

Mais à 700 kg il n’est plus que de 16 L, toujours à température ambiante.

L’ingénieur nous dit que 700 kg de pression, il sait faire, mais la bonbonne devra être en bon acier assez épais donc très lourde. Ou alors en matériau composite avec fibres de carbone tissées, compliqué et cher, mais faisable ( En fait c’est déjà fait ).

Pour l’automobile, l’objet doit résister au crash test et tenir le cahier des charges ce qui est toujours faisable mais le prix monte.

Il demeure cependant un doute sur le comportement d’une bonbonne d’Hydrogène prise dans un incendie qui porterait la pression au-delà de la limite d’éclatement.

Et on connaît les restrictions qui frappent les véhicules fonctionnant au GPL.

Et qu’en est-il du poids ?

Le poids du réservoir en matériau composite, susceptible de stocker 1 kg d’Hydrogène à une pression de 700 kg, peut être évalué à 30 kg.

Cet Hydrogène est transformé en électricité par une pile à combustible d’un poids sensiblement équivalent.

Une batterie Lithium-ion de quelques kWh est généralement utilisée en tampon pour fournir les pointes de courant des accélérations, et récupérer l’énergie du freinage.

Le tout pesant une centaine de kg, à comparer avec les 300 kg de la batterie Lithium-ion de 30 kWh qui équipe par exemple la Renault ZOE pour fournir le même service.

La surprise est de taille ! 100 kg au lieu de 300 kg .

C’est le jackpot qui fait dire à certains que l’Hydrogène est l’avenir de l’automobile.

De nombreux véhicules équipés de piles à Hydrogène circulent déjà en Europe à titre expérimental.

Une pile à Hydrogène de type PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel cell) a été développée en 2006 par le CEA (GENEPAC) et présentée en 2009 en partenariat avec PSA, sur une Peugeot 307 « épure » avec des performances de haut niveau:

1,4 kWh / kg

2,1 kWh /L

Le prototype PSA comportait une pile de 20 kW et un réservoir de 4 kg d’Hydrogène à 700 bar associés à un moteur électrique de 15 kW, pour une autonomie de 500 kms.

On peut également alimenter un moteur à combustion interne avec de l’Hydrogène, pour bénéficier de l’absence d’émissions de CO2. Mais le rendement est inférieur à celui d’une pile à combustible couplée à un moteur électrique. Le cycle à quatre temps ne lui convient pas bien, il préfère la turbine.

Il se confirme donc que l’Hydrogène est un excellent vecteur énergétique, en plus de son intérêt pour le stockage de l’électricité.

La nécessité d’embarquer des réservoirs chargés à 700 kg de pression reste cependant un inconvénient sérieux.

L’autre méthode de stockage, en phase liquide, n’est acceptable que pour des installations fixes car elle requiert un refroidissement à - 250 °C !

Ces dernières années ont vu l’émergence d’une troisième solution qui permet de s’affranchir des problèmes de haute pression, de cryogénie, et de sécurité. Il s’agit du stockage par absorption sur matériaux solides.

La nécessité de comprimer fortement le gaz pour en réduire le volume vient de la nécessité de vaincre l’énergie de répulsion des molécules entre elles, augmentée par l’agitation thermique. Certains matériaux acceptent d’accueillir des molécules d’Hydrogène par le phénomène d’adsorption suivi d’un transit à l’intérieur des mailles cristallines (absorption). L’Hydrogène est assimilé et la structure du matériau est modifiée. Il est alors possible d’accueillir davantage de molécules H2 dans un même volume qu’avec une simple compression.

Parmi les matériaux étudiés à cette fin le Magnésium retient l’attention à cause de son poids réduit ( intéressant pour l’automobile) et de sa capacité d’absorption. De plus il est très abondant sur terre et peut être obtenu à coût réduit, et il est recyclable.

Chaque atome Mg peut s’associer à deux atomes d’Hydrogène H pour former l’Hydrure de Magnésium MgH2.

La capacité massique d’absorption est donc de 7,6% en théorie.

Pour stocker 1 kg d’Hydrogène il faut donc 16,6 kg de Magnésium, qui occuperont un volume de 9,8 L,

A peine le volume d’un réservoir de motocyclette.

Pour la même quantité d’énergie une batterie Lithium-ion pèse 300 kg.

L’intérêt supplémentaire du procédé est qu’il se déroule à basse pression (< 10 bar) et à basse température donc on échappe à la nécessité d’un réservoir blindé résistant à 700 kg de pression.

Mais les inconvénients du Magnésium sont connus: il est très inflammable et ne peut être utilisé sans précautions particulières.

Ce problème de sécurité est au cœur des travaux de recherche et développement et l’on se doute bien que tous les centres de recherches en électrochimie mobilisent de gros moyens en collaboration avec tous les constructeurs automobiles pour sécuriser cette filière énergétique.

On peut citer un exemple de réalisation par la Société McPhy Industries, qui a mis au point un procédé breveté avec le CNRS et qui fait appel aux nanotechnologies. Ce procédé permet de « passiver » le Magnésium par association avec d’autres composants sous forme de poudre compressée résistant à la flamme d’un chalumeau.

L’association d’un tel réservoir à l’Hydrure de magnésium et d’une pile à Hydrogène permet d’obtenir un poids très inférieur à la solution classique à batterie Lithium-ion, au point qu’il est possible d’augmenter la réserve énergétique pour donner à la voiture une autonomie de 700 kms impossible avec une batterie aujourd’hui

. Le problème du rechargement des cartouche vides se pose comme pour la recharge des batteries, et il ne doit pas être sous-estimé, non plus que le coût de ce nouveau carburant. Qui le distribuera, et quelles taxes devra-t-il supporter ?

Mais la possibilité d’obtenir une autonomie de plusieurs centaines de kms reste un atout primordial qui conserve à ce procédé toute son attractivité.

Tout au moins tant que la technologie des batteries ne permettra pas de dépasser une capacité massique de 100 Wh/kg.

L’épuisement des sources fossiles entraînera également l’épuisement de la ressource en carbone, lequel est très largement utilisé dans l’industrie notamment pour les plastiques.

Il faudra donc trouver une autre source, et c’est là que l’Hydrogène intervient encore, grâce à la possibilité de l’utiliser pour fabriquer des hydrocarbures en le combinant avec le Carbone du CO2 atmosphérique.

Voir notamment: <college-de-france.fr/site/marc-fontecave/course-2014-02-26-10h00.htm>

Le XXIIè siècle sera-t-il celui de l’Hydrogène ?

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