par Samuel Furfari, Professeur de l’Université libre de Bruxelles
L’hydrogène est un sujet captivant, mais une terrible illusion si on pense à lui comme combustible alternatif. Le public et le monde politique semblent fascinés par cette molécule perçue comme une panacée pour la politique énergétique. Est-ce parce qu’ils ont appris à l’école que c’est le premier élément du tableau de Mendeleïev ? Est-ce parce que ça sonne plus « scientifique » que le charbon ou le pétrole ? Est-ce parce qu’il y a tellement longtemps qu’on en parle qu’ils pensent qu’il faudra bien un jour qu’il perce ? Toujours est-il que cette « énergie alternative » suscite un tel engouement que tout le monde en parle et qu’il convient donc de revenir aux fondamentaux.
La revue scientifique « International Journal of Hydrogen Energy » publie depuis 1976 des articles rédigés par les chercheurs les plus avertis sur les nombreuses recherches menées dans le monde entier afin de trouver des solutions scientifiquement fondées. Cependant, entre la science et la perception publique ou la sphère politique il y a un abîme. Ces dernières années l’hydrogène a été présenté par Jeremy Rifkin, un gourou dans le domaine de l’hydrogène, prônant « The Hydrogen Economy », dans laquelle ce gaz remplacerait les combustibles fossiles notamment pour les transports et serait une source majeure de génération d’électricité. Bon orateur, Rifkin qui a été invité partout dans le monde, a réussi à convaincre un bon nombre de politiciens au plus haut niveau, en particulier dans l’UE, à tel point que même des personnalités les plus célèbres ont fini par croire que la révolution de l’hydrogène était arrivée ou du moins en marche forcée. Cela fait maintenant plus de 15 ans qu’il répète son mantra même si ces dernières années son aura semble s’atténuer. Même si l’effet « abracadabra » ne fonctionne pas dans la science et la technologie et s’il n’a plus le succès d’il y a quelques années son credo reste ancré malgré les lois fondamentales de la chimie.
Commençons par le début : l’hydrogène H2 n’est pas une source d’énergie. Il est un vecteur d’énergie car il doit d’abord être produit à partir d’autres énergies primaires ou finales. Pour illustrer ce concept, si on peut dire que l’électricité est une forme d’énergie le câble qui la transporte n’est pas de l’énergie. Il en est de même pour l’hydrogène, ce n’est pas une forme d’énergie mais un instrument pour la transporter.
L’avantage de ce vecteur est qu’il ne produit que de l’eau mais beaucoup d’énergie lorsqu’il est brûlé :
H2 + ½ O2 → H2O ∆H° = – 483,88 kJ à 25°C
Si la combustion de l’hydrogène est effectivement propre malheureusement il n’existe presque pas à l’état libre dans la nature. Il doit donc être produit à partir d’autres sources. Sur la planète Terre, on trouve deux ressources naturelles contenant des atomes d’hydrogène : l’eau et les hydrocarbures (CnHm). Puisque l’hydrogène est une matière première de base de l’industrie chimique, sa production est très connue depuis des années et il sera difficile de réaliser de réels progrès dans ce domaine. L’hydrogène n’est pas un nouveau produit du tout comme nous allons le voir !
On est déjà passé par là…
Il y a eu plusieurs vagues d’engouement pour l’hydrogène comme source d’énergie sur lequel il vaut la peine de s’attarder même brièvement afin de réaliser que ce que nous vivons actuellement … a déjà eu lieu.
Au début des années 70, sur base de résultats fournis par des ordinateurs, le Club de Rome propage une vague de peur et conseille une halte à la croissance. A l’époque la modélisation par ordinateur était innovante et donc attractive. Tout le monde a cru que la fin du pétrole annoncée pour 2000 était une vérité scientifique, un peu comme aujourd’hui avec les modèles qui suscitent des peurs de changements climatiques causés par les émissions de CO2. Le charbon, très abondant dans le monde et ne présentant aucun risque géopolitique tellement il est abondant dans nombre de pays, y compris de l’OCDE, est apparu alors comme étant la solution immédiate pour faire face « à la fin du pétrole » décrétée par le Club de Rome. Tous les groupes pétroliers se sont mis à investir dans des mines de charbon à travers le monde en vue de disposer de l’énergie primaire qui allait permettre de produire du pétrole de synthèse. En effet, les Nazis qui eux aussi manquaient de pétrole avaient démontré qu’il était techniquement possible de produire des produits pétroliers à partir de houille ou de lignite.
Du point de vue chimique, ce qu’on appelle liquéfaction du charbon consiste à augmenter fortement le rapport hydrogène : carbone c’est à dire à ajouter de l’hydrogène à la structure moléculaire du charbon. Celui-ci est de nature très aromatique de sorte qu’il y a statistiquement seulement 0,7 atome d’hydrogène pour un atome de carbone (Figure 1). Pour le pétrole brut ce rapport est de de l’ordre de 1,6 et pour l’essence il est de 2,0 [1]. Ceci signifie qu’il faut ajouter de l’hydrogène pour transformer le charbon en produits pétroliers. Il y a pour cela deux techniques toutes deux largement utilisées par les Nazis.
Dans la liquéfaction indirecte ou processus Bergius le charbon finement broyé est placé dans un autoclave sous pression d’hydrogène de 20-70 bars et à température de 400-500°C dans une solution d’hydrocarbures liquides. Une partie du charbon absorbe de l’hydrogène pour générer un mélange d’hydrocarbures liquides, le restant du charbon non converti étant brûlé pour générer de l’électricité.
La liquéfaction directe consiste à gazéifier le charbon en présence de vapeur d’eau (réaction endothermique) pour produire ce qu’on appelle du gaz de synthèse (un mélange de CO et H2) et ensuite à transformer ce mélange gazeux par une réaction catalytique de Fischer-Tropsch qui permet de produire, en fonction des conditions de pression et de température ainsi que du rapport C : H du gaz de synthèse et du catalyseur, le type de produit liquide désiré. Les réactions sont multiples mais de ce type :
C + H2O → CO + H2
CO + H2 → hydrocarbures + autres produits
Par exemple :
n CO + (2n+1) H2 → Cn H(2n+2) + n H2O
Le besoin d’hydrocarbures et la possibilité d’en produire par la gazéification du charbon a suscité au début des années 80 en engouement pour l’hydrogène de sorte que de nombreux projets de recherche ont été financés par la Commission européenne notamment dans son centre de recherche nucléaire de Ispra (Italie).
Pourquoi Ispra ? Parce que là dans les années 60 on avait étudié les réacteurs nucléaires HTGR « High Temperature Gas cooled Reactors » ce qui avait conduit à envisager ces réacteurs pour décomposer l’eau en H2 et O2 dans un cycle de réactions chimiques à haute température [2]. Ce cycle de réactions fait appel à des éléments extérieurs (par exemple iode et soufre) qui permettent de décomposer l’eau tout en étant recyclés.
La « société hydrogène » a été conçue à cette occasion. Tout y a été pensé et étudié. Par exemple on avait étudié la possibilité de produire de l’hydrogène par électrolyse au Québec qui possédait à l’époque – et encore aujourd’hui – un potentiel hydroélectrique gigantesque et de transporter par voie maritime cette « énergie alternative » en Europe [3]. L’hydrogène aurait été tellement abondant que tout allait fonctionner avec cette «énergie alternative ». Comme l’illustre la Figure 2 [4], tout le secteur domestique allait être investi par l’hydrogène moderne ; celui-ci aurait été produit en tellement grande quantité qu’il allait être distribué par conduite souterraine dans les zones urbaines. Il aurait été utilisé pour générer l’électricité par pile à combustible et même pour être brûlé pour produire l’eau chaude sanitaire et pour cuisiner. Bien entendu il devait également être utilisé pour remplacer les produits pétroliers dans le secteur du transport. Ce rêve s’est fracassé lorsque l’évaluation des coûts a été faite … d’autant plus que le contre-choc pétrolier du milieu des années 80 a fait chuter le prix du brut. On avait sifflé la fin de la récréation idéologique.
Après une période de latence d’une vingtaine d’années, sans que toutefois le rêve H2 soit totalement évacué, on a assisté à une nouvelle résurgence de l’intérêt. L’intérêt pour la décomposition thermique de l’eau est brièvement réapparu vers 2000 à l’initiative notamment du prix Nobel Carlo Rubbia. Nucléariste, il a proposé de nouveau la production d’hydrogène via la chaleur fournie par des réacteurs à haute température (HTR). Tout est possible du moment que les principes de la thermodynamique sont respectés mais tout n’a pas nécessairement un sens économique.
L’Administration Bush a voulu relancer l’intérêt sans doute sous l’influence du lobby de l’industrie des piles à combustible et aussi pour ne pas paraître totalement fermée à la volonté de lutter contre les émissions de gaz à effet de serre. Bush dans son discours sur l’état de l’Union en janvier 2003 déclarait œuvrer pour une révolution de l’hydrogène qui transformerait la manière dont les gens vivent, travaillent et conduisent. Le projet présidentiel devait aider à avancer vers une ère de voitures et de camions roulant aux piles à combustible à hydrogène. Pour faire de cette vision une réalité́, le président Bush s’était engagé́ à investir 1,2 milliard $ sur les 5 ans à venir pour la recherche, les infrastructures et le développement de voitures roulant à l’hydrogène. En fait, il s’agissait d’un subterfuge de communication. Il était plus explicite de parler d’hydrogène que de parler de piles à combustibles. Mais la ficelle est assez grosse car le parallèle consisterait à parler de filière chlorophylle pour ne pas parler de combustion du bois, l’hydrogène étant produit il est vrai dans une pile à combustible fonctionnant au gaz naturel. En l’occurrence, dans le chef des américains il n’a jamais été question de produire de l’hydrogène à partir d’énergies renouvelables mais bien de méthane, l’énergie fossile la plus adaptée aux piles à combustible. En juin 2003 une conférence UE-USA sur l’hydrogène s’est tenue à Bruxelles sous les auspices de Romano Prodi, très stimulé par son frère Vittorio Prodi (physicien et parlementaire européen), mais contrairement aux américains du côté européen on a préféré mettre plutôt l’accent sur les énergies renouvelables, ce qui n’avait pas convaincu tout le monde.
Après cet épisode, l’intérêt pour la politique de l’hydrogène s’est atténué mais sans pour autant disparaître puisque notamment la Commission européenne a créé en mai 2008 la Fuel Cells and Hydrogen Joint Undertaking, un partenariat public-privé qui soutient les activités de recherche, de développement technologique et de démonstration dans les technologies des piles à combustible et de l’hydrogène en Europe. Son objectif est d’accélérer l’introduction sur le marché de ces technologies. Ce partenariat public-privé implique la Commission européenne, l’industrie européenne et divers organismes de recherche publique.
La production industrielle de l’hydrogène
L’hydrogène peut être produit par électrolyse de l’eau où l’électricité dissocie les molécules d’eau en hydrogène H2 et en oxygène O2 . C’est un procédé très énergivore puisque la molécule d’eau à l’instar de celle de CO2 est très stable. Tout ce qu’on désire faire avec H2O et CO2, qui sont en quelque sorte le pot d’échappement de la vie, va nécessiter beaucoup d’énergie. On dit en chimie que leur énergie de formation est élevée et que pour rompre ces molécules il faut fournir autant d’énergie qu’il en a fallu pour les créer.
En théorie, la dissociation de l’eau en H2 et O2 par électrolyse nécessite une différence de potentiel entre les deux électrodes de 1,23 volt. Cependant, l’électrolyse de l’eau pure nécessite un supplément d’énergie car l’eau est un assez bon isolant de sorte qu’il faut surmonter une série de barrières d’activation. La plupart des électrolyses sont ainsi réalisées dans des milieux corrosifs, fortement basiques.
2 H2O (gaz) → 2 H2 + O2 ∆H° = 2 x 241,94 = 483,88 kJ à 25°C
A 25°C il faut fournir 483,88 kJ pour obtenir deux môles de H2 (4 g) d’où 120.970 kJ pour un kg de H2. Si l’énergie est fournie sous forme électrique cela représente 33,6 kWh/kg d’hydrogène. Toutefois en tenant compte de la résistance électrique de l’électrolyte et des pertes de rendement cette quantité théorique devient en processus industriel 46,9 kWh/kg d’hydrogène. Le Departement of Energy des États-Unis est en train de développer des recherches dans l’espoir de limiter cette consommation à 42 kWh/kg d’hydrogène d’ici 2020. Même si cet objectif devait être atteint, cela restera un processus très énergivore. Il y a des recherches en cours pour trouver de nouvelles façons de produire de l’hydrogène de façon économique, mais encore aucune percée.
Il en résulte que seulement 4% de toute la production industrielle d’hydrogène provient de l’électrolyse (Figure 3) mais en plus c’est en tant que sous-produit de la préparation électrolytique du chlore et de l’hydroxyde de sodium.
La production industrielle la plus importante est de loin celle du vaporeformage du méthane car c’est l’hydrocarbure qui contient le plus haut rapport atomique hydrogène : carbone (Figure 3). L’hydrogène est produit par la réduction du méthane à haute température (700°C à 1100°C) sur un catalyseur à base de nickel. La première étape est une réaction de reformage vapeur-méthane et la seconde étape est ce que l’on appelle la « réaction de gaz à l’eau » où le monoxyde de carbone et la vapeur d’eau réagissent en présence d’un catalyseur pour produire du dioxyde de carbone et plus d’hydrogène.
CH4 + H2O → CO + 3 H2
CO + H2O → CO2 + H2
CH4 + 2 H2O → CO2 + 4 H2
Comme nous pouvons le voir, le CO2 est toujours formé lorsque les hydrocarbures sont utilisés. Puisque l’hydrogène est le premier élément chimique du tableau de Mendeleïev il est léger, de sorte que la production de 1 kg de H2 génère 5,5 kg de CO2. Il peut aussi être produit à partir de pétrole ou de charbon par une réaction similaire mais avec plus de CO2 comme sous-produit à cause du rapport atomique hydrogène : carbone moins favorable comme nous l’avons vu.
L’utilisation la plus importante de l’hydrogène est la production d’ammoniac (NH3), qui à son tour est principalement utilisé pour produire des engrais (Figure 4). Mais il est aussi abondamment utilisé dans le raffinage du pétrole et la pétrochimie, toujours pour la même raison : accroître le rapport H : C dans les produits de base de la chimie industrielle.
C’est pourquoi l’hydrogène est un produit fondamental de la chimie industrielle et donc un produit à haute valeur ajoutée. Brûler de l’hydrogène est un contresens chimique, économique et environnemental. L’hydrogène est un produit de luxe qui ne sera pas utilisé à des fins de combustion quoi qu’en disent les politiciens.
Le volume du marché de l’hydrogène est très important car cette molécule est fondamentale pour l’industrie chimique et pétrochimique. L’Agence Internationale de l’Énergie rapporte que le marché de la production d’hydrogène était de 115 milliards US$ en 2017 et devrait atteindre 155 milliards US$ en 2022. Ce marché se répartit en deux branches distinctes : la production d’hydrogène in situ dans les raffineries et le marché alimenté par des producteurs autres que les raffineurs. Selon la dernière étude de 2014 de Freedonia Group la consommation mondiale d’hydrogène captif et marchand devrait croître de 3,5% par an d’ici 2018 à plus de 300 milliards m3, grâce à une utilisation accrue de l’hydrotraitement dans les raffineries, notamment dans les pays en développement d’Asie. Cette étude annonce que le volume d’hydrogène produit par des non-raffineurs augmentera de plus de 5 % chaque année car les besoins en hydrogène des raffineries de pétrole dépassent les ressources captives disponibles des raffineurs.
Depuis l’adoption par les pays développés dans les années 80 et 90 de réglementations environnementales pour combattre les émissions des véhicules automobiles, notamment, l’élimination du soufre contenu dans les carburants, la consommation d’hydrogène dans le raffinage du pétrole a considérablement augmenté. L’hydrogènation consiste à éliminer le soufre contenu dans les produits pétroliers ou le naphta selon la réaction catalytique générale suivante :
CnHmSH + H2 → CnH(m+1) + H2S
Puisque les pays en développement mais aussi la Chine et l’Inde adoptent des réglementations similaires la demande mondiale en l’hydrogène augmentera encore plus. Si le transport maritime devait suivre également cette tendance d’abandon progressif de l’utilisation du fuel à haute teneur en soufre le besoin en l’hydrogène augmenterait d’autant plus.
Tout cela démontre que les besoins en hydrogène industriel ne sont pas près de disparaître et qu’il est donc étrange que certains pensent à brûler cette molécule si importante que d’autres s’évertuent à produire pour son noble usage chimique.
Signalons également que l’hydrogène est un gaz particulièrement léger, avec une densité très faible. En effet, 1 kg d’hydrogène occupe 11 m3 à température et pression atmosphérique ambiante. Pour toutes les applications pratiques, l’hydrogène doit être transporté dans des conduites (sous une pression modérée). Il doit être stocké sous haute pression (200 bar) dans des bonbonnes adaptées. Le problème de sécurité de ces cylindres hautement pressurisés, couplé à la forte réactivité et au contenu énergétique de la molécule d’hydrogène et à son extrême volatilité, est certainement un sujet de préoccupation, en particulier dans les zones urbaines.
La renaissance de l’intérêt pour l’hydrogène
Ces dernières années on a vu resurgir encore plus fortement l’intérêt pour cette molécule. Cette fois l’intérêt est venu d’Allemagne. Ce pays est sans aucun doute devenu le champion de la production d’électricité d’origine renouvelable. Où que l’on soit dans ce pays on peut observer des fermes éoliennes ou des panneaux photovoltaïques. En valeur absolue l’Allemagne est le plus grand producteur d’énergies renouvelables (39,5 Mtep) et représente 19 % de toute la production de l’UE. Malgré ces résultats extraordinaires – et les 25 milliards d’euros par an que cela coûte – l’Allemagne est confrontée à ce que les ingénieurs électriciens avaient annoncé au début de la frénésie en faveur des énergies renouvelables : l’éolien et le solaire photovoltaïque sont intermittents et cela perturbe fortement la gestion du réseau électrique. Le prix des panneaux photovoltaïques a beau diminuer, le prix de l’électricité renouvelable augmente précisément à cause de cette intermittence. L’accroissement du prix moyen dans l’UE a été de 3,2 % par an entre 2008 et 2015. En conséquence le prix de l’électricité domestique en Allemagne est de 294,5 €/MWh tout proche du record du prix le plus élevé du Danemark qui dépasse légèrement les 300 €/MWh.
Ce succès indéniable montre toutefois sa limite à cause de l’intermittence et à cause du prix qui ne sera sans doute pas soutenu indéfiniment par la population allemande qui est doublement mise à contribution car c’est à elle qu’il incombe d’alléger la facture des industriels allemands qui sont eux soumis à la concurrence. Le gouvernement fait payer aux consommateurs domestiques le surcoût qu’aurait dû payer le secteur industriel.
C’est pourquoi l’ensemble des acteurs industriels et politiques d’Allemagne ont décidé de miser sur l’hydrogène en développant plusieurs filières (Figure 5). Le surplus d’électricité renouvelable généré lorsqu’il n’y a pas d’acheteur, plutôt que d’être vendu à prix négatif comme c’est le cas actuellement, devrait servir à générer de l’hydrogène par électrolyse de l’eau. C’est la notion de « power to gas – P2G » (de l’électricité au gaz). On va même jusqu’à prétendre qu’il peut également être injecté dans le réseau de gaz naturel. Cet hydrogène aurait du sens si le prix de la production par électrolyse était moindre que celui de la production industrielle actuelle. Cependant, c’est un non-sens car le prix de l’hydrogène est beaucoup plus élevé que celui du gaz naturel : on ne dilue jamais un produit cher dans un produit bon marché !
On parle aussi de Power to Power (P2P) pour produire de l’électricité à partir de l’hydrogène dans une pile à combustible. Mais une étude pour le Premier Ministre français estime que « les éléments technico-économiques disponibles […] de production solaire avec stockage à l’aide d’hydrogène révèlent des coûts de production extraordinairement élevés, même pour une expérimentation. Au total, le stockage d’électricité́ via l’hydrogène apparaît aujourd’hui hors de toute rentabilité́. » Il ne faudrait même pas dépenser de l’argent pour de telles études tellement c’est une évidence.
France Stratégie, une institution rattachée au Premier ministre, estime qu’ « en raison de son coût, le stockage énergétique via l’hydrogène dans le réseau de gaz n’apparaît pas pertinent à un horizon prévisible ». Quel que soit le processus, le prix sera très élevé. Le prix international de l’hydrogène est en effet d’environ 2,3 $/kg et l’association française pour l’hydrogène AFHYPAC a calculé une fourchette de prix allant de 3 à 20 €/kg … en 2025.
Une autre possibilité de stockage de l’énergie consiste à combiner de l’hydrogène produit par électrolyse avec du dioxyde de carbone afin de produire du méthane selon la réaction exothermique bien connue de Sabatier :
CO2 + 4 H2 ↔ CH4 + 2 H2O ∆H° = – 164,88 kJ à 25°C
Cette réaction est utilisée par la NASA dans la station spatiale internationale pour produire de l’eau à partir du dioxyde de carbone exhalé par les astronautes et de l’hydrogène produit par électrolyse. Cela fonctionne mais d’évidence c’est une niche qui n’a aucun sens économique. Il faut beaucoup de foi pour espérer produire des quantités massives de méthane à partir d’hydrogène issu de l’électrolyse grâce à l’énergie éolienne ou solaire. Selon le rapport demandé par M. Emmanuel Macron lorsqu’il était ministre de l’économie en septembre 2015 , le coût du méthane produit par cette synthèse serait près de trois fois plus élevé́ que le prix de gros du gaz naturel. Selon l’Agence Internationale de l’Énergie en 2030 citée dans ce rapport « Macron », la filière hydrogène resterait environ deux fois plus chère que les prix de gros du gaz naturel fossile. Cela était avant que l’on admette que le gaz naturel est tellement abondant que son prix à l’avenir ne peut que diminuer, enlevant ainsi le peu d’espoir qui restait en cette filière. Toujours selon l’Agence Internationale de l’Énergie le coût d’abattement de la tonne de CO2 serait pour la filière P2P de l’ordre de 400$/t CO2 en 2030 : un prix que personne n’envisage tant il est éloigné de la réalité admissible économiquement.
Même si nous admettons que ces chiffres sont purement indicatifs – parce que les coûts réels sont systématiquement plus élevés que ceux prévus dans les études – il est très peu probable que le marché soit disposé à payer ce prix. De plus, comment pouvons-nous espérer avoir toujours un excès d’électricité alors que nous nous efforçons de toujours en produire plus. D’autre part, afin de créer un véritable marché européen de l’électricité, l’UE finance et favorise la construction de nouvelles interconnexions électriques transfrontalières qui vont permettre qu’un surplus d’électricité dans un Etat membre puisse être utilisé dans un autre. Ce surplus d’électricité renouvelable évoqué par les allemands ne pourra exister que lorsque toute l’électricité de l’UE sera d’origine renouvelable. Il est donc certain qu’il y aura toujours un acheteur pour le surplus d’électricité renouvelable qui serait produit n’importe où dans l’Union et que donc le fondement énergétique de la filière P2G n’existe tout simplement pas. Pourquoi les entreprises allemandes étudient cette P2G alors que les autres pays sont plutôt sceptiques ? Parce que l’Allemagne a un problème avec son excès d’électricité produite par des énergies renouvelables intermittentes, ce qui n’est pas le cas pour d’autres pays.
D’où vient le CO2 qui est l’autre réactif de la réaction de Sabatier ? Des centrales électriques à combustibles fossiles !
Dans l’ensemble, la réaction de Sabatier reste un processus très improbable car malgré l’efficacité de chaque réaction individuelle l’efficacité globale restera extrêmement faible. Rappelons, en effet, qu’une succession de trois réactions efficaces à 80% résulte à la fin en un rendement réduit de moitié car 0,8 x 0,8 x 0,8 = 0,54 .
Quoi qu’il en soit, si par pure idéologie on voulait absolument produire de l’hydrogène « vert » il serait plus logique de produire de l’électricité à partir du vent, mais sans connexion au réseau électrique et de produire de l’hydrogène par électrolyse de l’eau et de vendre le précieux produit à l’industrie chimique. Reste à voir quel serait le prix de revient…
Avec un peu de chimie nous allons voir que cette idée est encore plus saugrenue…
A 25°C la réaction de Sabatier libère 164,88 kJ par môle de CH4 formé (16 g) d’où 10.305 kJ par kg de CH4. A 350°C (température habituelle pour cette réaction), tenant compte des capacités calorifiques molaires, la réaction libère 274,9 kJ par môle de CH4 formé. La réaction de Sabatier est donc exothermique et partant thermodynamiquement favorable. Divers catalyseurs permettent de réduire son énergie d’activation et de l’effectuer dans de bonnes conditions.
Toutefois il convient de coupler cette réaction avec celle de l’électrolyse de l’eau :
2 x (2 H2O (gaz) → 2 H2 + O2) ∆H° = 2 x 483,88 = 967,76 kJ à 25°C
4 H2 + CO2 → CH4 + 2H2O (gaz) ∆H° = – 164,88 kJ à 25°C
La réaction globale est donc :
2 H2O + CO2 → CH4 + 2 O2 ∆H° = 802,88 kJ à 25° C
Globalement il faut fournir 802,88 kJ par môle de CH4 formé (16 g) d’où 50.180 kJ par kg de CH4. L’électrolyse de l’eau couplée avec la réaction de Sabatier exige donc 802 kJ par môle de CH4 produite. En fait, on retrouve en sens inverse la réaction de combustion du méthane :
CH4 + 2 O2 → 2 H2O + CO2 ∆H° = – 802,88 kJ à 25° C
Toute cette opération exige donc autant d’énergie qu’en produit la combustion du méthane. De plus, puisque ces opérations devront se faire en processus industriel les rendements ne seront pas ceux théoriques de sorte que l’on peut conclure que cette opération est une aberration chimique, économique et environnementale.
Les mauvaises idées telles que les moteurs à eau ne meurent jamais. Pire encore, parfois elles deviennent des lois … Mais ce n’est pas le cas partout dans le monde. L’académicien russe Eduard P. Volkov (l’un des plus grands érudits russes actuels) a déclaré au Club de Géopolitique de Nice en 2015 que lorsqu’il a présenté au président Vladimir Poutine d’éventuelles idées sur l’innovation énergétique, il a reçu la réponse suivante : « Il y a tellement de pétrole et de gaz à bas prix, pourquoi voulez-vous que nous dépensions de l’argent pour vos projets ? » [5].
L’hydrogène pour la mobilité
L’attaque surprenante, tant par sa rapidité que par son manque de justification, envers la voiture diesel a donné en Europe un nouveau souffle à la voiture à l’hydrogène.
En fait l’idée de brûler de l’hydrogène dans un moteur thermique relève depuis quelque temps de l’anecdote. L’intérêt pour l’hydrogène en tant que carburant alternatif pour le transport repose plutôt sur les piles à combustible pour les véhicules électriques. Plusieurs constructeurs de véhicules ont commencé à fabriquer des véhicules électriques légers à pile à combustible à hydrogène . Certes il y a le problème de la fiabilité des piles à combustible ainsi que le prix de revient mais surtout l’absence d’un réseau de ravitaillement, problème qui ne sera probablement pas résolu de si tôt. Qui voudra acheter de telles voitures si les stations de ravitaillement en hydrogène ne sont pas facilement accessibles, et les compagnies ne construiront pas de stations de ravitaillement si elles n’ont pas de clients avec des véhicules à hydrogène. C’est le problème de l’œuf et de la poule.
L’optimisme de la Hydrogen Joint Undertaking que nous avons rencontré plus haut surprend. Elle annonçait que le nombre de stations de ravitaillement devrait augmenter et devrait passer d’environ 20 en 2016 à plus de 50 au cours des deux prochaines années. De nombreuses recherches sont en cours mais d’évidence il faudra de longues années pour mettre au point ces nouvelles technologies et il faudra encore démontrer que tout cela a un sens économique. Selon la Joint Undertaking il y a encore de nombreuses questions à résoudre, mais apparemment les politiciens n’en ont cure ; ils veulent imposer une non-solution tout de suite.
Toutefois le coût élevé des piles à combustible et la disponibilité limitée des stations de ravitaillement en hydrogène limitent le nombre de véhicules fonctionnant à l’hydrogène de sorte que c’est à la pompe de gaz naturel qu’il faudra s’approvisionner pour ce genre de véhicules et non pas à la pompe à hydrogène (Figure 7).
Le principe des piles à combustible est connu depuis très longtemps. Son application industrielle se heurte constamment à la dure réalité des coûts. Pour avoir géré le développement européen de ce secteur entre 1998 et 2004 j’ai appris à être confronté à cette inexpugnable réalité. Malgré des années d’efforts déterminés tant par l’industrie que par les pouvoirs public – y compris avec des financements très importants en Allemagne (Figure 7) – il a bien fallu constater l’échec de l’industrialisation des piles à combustible pour usage stationnaire. Une des causes principales est que d’une part les électrodes sont constituées de métaux nobles et donc onéreux et d’autre part que la fabrication ne peut être automatisée ce qui conduit à un coût de production élevé. Ce sont ces éléments qui ont conduit l’Allemagne à abandonner cette filière dans laquelle elle s’était fortement investie avec des aides publiques consistantes. Si on ne parvient pas à maitriser les coûts pour des grandes installations qu’est-ce qui peut justifier de prétendre que la miniaturisation parviendra à réduire les coûts ? D’ailleurs en Allemagne les voitures à piles à combustibles ne suscitent pas le même engouement que les véhicules électriques. Tant que le coût de production ne sera pas divisé par un facteur d’au moins dix – ce qui est hautement improbable dans un avenir prévisible – le développement significatif de ce type de véhicule n’aura pas lieu.
Il convient de ne pas perdre de vue que dans le domaine de l’automobile le marché est mondialisé et que l’avenir de la production ne dépend pas de niches comme peuvent l’être les Ferrari ou les Tesla. Penser que l’Asie et plus tard l’Afrique vont développer des réseaux de distribution d’hydrogène relève de l’utopie. Leurs besoins de croissance sont tels qu’ils ne peuvent se préoccuper de niches ou de solutions innovantes dont le prix est prohibitif. L’avenir mondial de l’automobile sera encore pendant longtemps ancrée dans les produits pétroliers.
Conclusion
L’utilisation alternative de l’hydrogène suscite depuis soixante années un engouement inversement proportionnel à sa réussite. On a vu brièvement que les pouvoirs publics ont constamment voulu mettre en avant cette solution. Toutefois, les chercheurs ont inéluctablement été confrontés à la dure réalité des réactions chimiques et des bilans énergétiques que ces réactions imposent. La chimie et la thermodynamique n’ayant que faire des décisions politiques rien de concret n’a pu été réalisé pendant ces décennies. Ce n’est ni faute de volonté ni de financements publics. Aujourd’hui le regain d’intérêt pour l’hydrogène suscité par la transition énergétique est plus fort encore que par le passé à cause de la forte médiatisation de la politique énergétique de sorte que cette illusion est perçue comme étant une réalité. Toutefois, tout indique que la dure réalité des coûts est inexpugnable et que ce monstre du Loch Ness replongera une nouvelle fois.
Est-ce à dire qu’il faut arrêter la recherche dans ce domaine ? Pas vraiment, mais il faudrait plutôt se concentrer sur des recherches fondamentales notamment en électrochimie plutôt que de financer avec l’argent du contribuable des installations semi-industrielles qui ne pourront que démontrer leur caractère non-économique.
Hélas il est à craindre que l’auteur de science-fiction américain Harlan Ellison ait raison « les deux éléments les plus communs dans l’univers sont l’hydrogène et la stupidité » …
Références
[1] James G. Speight, Baki Ozum, Petroleum Refining Processes, 2001, Marcel Dekker Inc
[2] Beghi G., Hydrogen as an energy vector : new future prospects for applications of nuclear energy, Commission of the European Communities, Joint Nuclear Research Centre — Ispra Establishment (Italy), May 1972, EUR 4838 e
[3] Giacomazzi G, Progetto Pilota « Europa-Quebec », Centro Ricerca di Ispra, Commissione delle Comunità europee, 1990, EUR 12620 IT
[4] Beghi G., Hydrogen: Energy Vector of the Future, 1983rd Edition, Graham & Trotman, ISBN-13: 978-0860104513
[5] Volkov Edouard, Club de Nice, XIVe Forum Annuel, les 26-28 November 2015, NICE http://www.clubdenice.eu/2015/activites_2015.htm
Cet article a été repris par la Revue Méthode de Août-Septembre 2019 :
Merci Samuele pour ton superbe paper qui mérite d’être diffusé comme référence pertinente dans le cadre des débats sur le mix énergétique.
Bernard.
Mille mercis pour cet exposé qui remet les pendules à l’heure. Je me suis déjà personnellement insurgé sur LinkedIn contre l’aberration des voitures électriques. Je me pose la question du financement de ces lobbys qui répandent de telles inepties thermodynamiques et profitent honteusement de la crédibilité de la population.
voilà qui va redonner de l’eau aux moulins à vents des écolo ensoleillés !
Quel superbe mix énergétique :: le mouvement perpétuel à encore ses adeptes !
C’est facile de dire impossible et trop cher, c’est plus difficile de montrer des alternatives meilleurs. Parce que les pays de UE sans réserves hydrocarbures ne vont jamais devenir indépendant des autres sans des énergies renouvelables et des technologies nouvelles (et oui au début très cher).
En 1980 personne pouvait prévoir la révolution des prix en PV, éolien, batteries. Et je me suis sûr, la même chose peut se faire en électrolyse!
« En 1980 personne pouvait prévoir la révolution des prix en PV, éolien, batteries. »
Incorrect. Les ingénieurs savaient parfaitement que le (très) faible rendement de ces méthodes de production d’énergie pourrait être amélioré par la recherche et développements, et de combien, car c’est régi par les lois physiques. Le PV est passé de 10%à 20% de rendement tout en baissant de prix, mais reste sous la limite de rentabilité écologique et économique. L’éolien est proche du rendement (aérodynamique, mécanique, électrique) maximum théorique, et reste sous la barre de la rentabilité globale (écolo et écono). Et ces 2 moyens de production sont tellement largement sous le rendement des énergies fossiles + nucléaires, déjà investies en plus, que tenter de les exploiter en utilisant les ressources actuelles (fossiles) résulte en une dégradation de celles-ci, un des lourds facteurs niant le rendement global de ces …jouets politiques.
Comparez cela à l’aviation, qui n’a pu exister QUE lorsqu’on a disposé d’un moteur, source d’énergie, dont le rendement dépassait un certain facteur de son propre poids. Ensuite, l’existence du vol et les moultes expérimentations ont raffiné la chose, permettant également d’élargir un peu cette condition minimale: tout cela était prévisible et pour l’essentiel, prévu.
Sans comprendre la physique et les équations qui régissent tout cela, vos rêves, quelle que soit la force pour les lancer, retomberont, rapidement, ou un peu moins, vers le sol.
Au-delà de nos labos & entreprises en quête d’une juste diversification concurrentielle, ou simplement d’innovation productive, de puissants lobbies d’idéologues – occidentaux non élus ! – font à chasse à tout élément d’une rationalité scientifique. Ces derniers lui préfèrent la propagande de thèses dites « alternatives, de très long terme ». Ce faisant, ils restent incapables d’une démonstration probante au niveau des chiffres + rendements globaux. Leur confort consiste à vivre dans le qualitatif et leurs utopies.
Un immense dilemme d’arrière-plan se pose au niveau de la décision « législative ». Or, fait du quotidien : 85 % des « responsables » politiques sont des gens formés au « droit ».
Leurs cursus et expérience en matière de physique-chimie sont donc proches du zéro absolu ! D’autant que les cabinettards dont ils s’entourent sont souvent de la même fibre mentale. La particratie ambiante ajoute aux débats d’hémicycles, à tous niveaux.
En résultat de quoi, les ressources PUBLIQUES sont allouées à des voies de cul-de-sac.
Paradoxalement, les BRICs et économies émergentes semblent échapper à nos vagues d’irrationnel. Forcément : russes + chinois + indiens (et les USA) disposent encore d’une culture scientifique et de « deux pieds sur terre » qui les maintiennent à l’abri des nuisances idéologiques qui massacrent le futur occidental. Cost/Benefit Analysis…
Merci, cher Mr Furfari , pour cet article d’un retour à des FONDAMENTAUX.
Et bonne lecture à nos chers gens du droit ? ;-/
1° L’auteur de cet article commet d’abord une erreur manifeste quand il prétend que « le prix de l’électricité renouvelable augmente précisément à cause de cette intermittence. [sur base de] l’accroissement du prix moyen dans l’UE a été de 3,2 % par an entre 2008 et 2015 ».
Il se garde de donner les chiffres après 2015 :
« La Creg estime encore dans son rapport que les efforts consentis dans le cadre du mécanisme du filet de sécurité pour aboutir à plus de transparence sur le marché énergétique doivent être poursuivis à l’avenir ».
Cependant, « En juin 2016, le prix de l’électricité en Belgique pour les clients résidentiels était inférieur de 16,47% à la moyenne des pays voisins (Allemagne, France, Pays-Bas), constate la Creg dans son rapport annuel sur le mécanisme du filet de sécurité. »
(Source : http://www.lavenir.net/cnt/dmf20161028_00906912/l-electricite-moins-cher-en-belgique-que-dans-les-pays-voisins)
Cela s’explique par le fait du pourcentage important en Belgique (plus de 10%) de l’apport des énergies durables (éolien et PV), ce qui fait baisser le prix de production d’électricité et sa répercussion sur la facture du consommateur, même si les distributeurs d’électricité en profitent pour augmenter indument leurs frais de distribution, ce qui alors annule les effets de la diminution du prix de l’électricité (en tant que telle).
La production durable notamment photovoltaïque a permis d’abaisser le prix de l’électricité sur le marché et dont tout le monde profite et même sans rien avoir investi pourtant !
Cela rend les autres types de productions (rappel fossiles et donc nuisibles pour l’écologie à laquelle l’auteur fait référence ) obsolètes et boostera donc la production durable et dont le prix de l’électricité ainsi produite ne pourra que continuer à baisser pour le profit aussi de tout le monde !
En effet, 2017 a été le moment d’un bascule irréversible : grâce à l’éolien et au photovoltaïque, non seulement le prix sur le marché est devenu le plus bas historiquement mais en plus, produire fossile coûte désormais bien plus cher que produire renouvelable.
(Source : http://www.renouvelle.be/fr/actualite-internationale/2017-ou-la-victoire-economique-du-solaire-et-de-leolien?utm_source=sendinblue&utm_campaign=PERe_membres__211217&utm_medium=email)
Actuellement, produire fossile est plus cher que produire vert ; c’est un incitant incompressible à l’abandon de tout ce qui n’est pas production verte, en ce y compris la production nucléaire qui n’est pas verte ; gare aussi aux idées reçues : « « Le nucléaire, énergie décarbonée », c’est FAUX : des études sérieuses montrent que le nucléaire produit en moyenne 66 g de CO2 par kWh produit […] ».
(Suivant l’observation pertinente du très sérieux site Médiapart https://blogs.mediapart.fr/jpm2/blog/190313/lallemagne-reduit-ses-rejets-de-co2-tout-en-fermant-son-parc-nucleaire).
2° L’auteur de cet article semble ignorer que se développent des systèmes résidentiels avec le couple électrolyseur/pile à combustible et donc on valorise la chaleur résiduelle de sorte de limiter le total des pertes à 5% environ :
cf. http://www.retrouversonnord.be/Projet_hydrogene.doc
Il faudra m’expliquer pourquoi le prix du kWh de ma facture est passé de 13c€/kWh en 2007 à plus de 22 aujourd’hui!
Les chiffres que j’ai indiqué sont les chiffres officiels de la Commission européenne (COM(2016) 769 final du 30.11. 2016). Puisque ce document est de 2016 – le dernier en date – les données officielles de Eurostat sont de 2015.
Le correspondant ignore ou feint d’ignorer que le cout de l’électricité fournie n’est pas le coût de la génération aux bornes de l’alternateur mais il doit intégrer le coût de tout le système électrique. C’est pourquoi le prix de l’électricité ne cesse d’augmenter dans l’UE à cause de l’intermittence occasionnée par l’éolien et le solaire et les subsides sous diverses formes. J’invite le correspondant à étudier ses factures. S’il n’en était pas ainsi l’UE n’aurait pas adopté le mois dernier une directive obligeant la consommation de 32% d’énergie renouvelable. Si celle-ci était économique il n’y aurait pas besoin d’obligation législative. Dans le monde il n’y a pas une seule loi qui oblige quelqu’un à faire quelque chose pour qu’il gagne de l’argent…
Aucune énergie n’est totalement décarbonnée. Les chiffres officiel du GIEC, l’organe qui étudie le changement climatique sont les suivants : Solaire PV : 5 à 217 g CO2eq/kWh; éolien : 2 à 81 g CO2eq/kWh; nucléaire 1 à 220 g CO2eq/kWh. J’ai la faiblesse de croire que ces chiffres sont plus crédibles que ceux de Mediapart.
Si le système annoncé par le correspondant était économique il y aurait longtemps qu’il aurait été appliqué partout. De nombreux projets de démonstration sont en cours partout, en particulier pour les projets combinant la micro-cogénération, et c’est très bien. Il est a espérer que la réalité économique suivra. »
Le très sérieux site Mediapart, c’est déjà quelque chose de lourd, mais il s’agit d’un blog sur Mediapart…
L’article publié par Samuele Furfari est interpellant et suscite de nombreuses réactions. Détaillons celles-ci dans l’ordre de leur apparition dans l’article :
-Le livre de Jérémy Rifkin intitulé «The Hydrogen Economy » a comme argument principal que l’exploitation de l’hydrogène et des piles à combustible va engendrer au 21ème siècle une nouvelle révolution économique comparable à celle qui a été engendrée au 20ème siècle par le pétrole et le moteur à combustion interne. Celle-ci sera cependant, à l’inverse de son prédécesseur, non polluante et fournira une source de puissance décentralisée et démocratique. Jérémy Rifkin compare cette révolution à celle de l’information et de l’introduction des réseaux électroniques dans la vie courante. Trois points sont importants dans cet argument. Premièrement cette révolution se mettra en place progressivement et nécessitera une adaptation des mentalités et des habitudes. Deuxièmement elle entraînera le passage d’une production d’énergie centralisée à une production décentralisée. Il suffit de regarder autour de soi pour constater les premiers signes concrets de cette transition en observant le nombre de toits couverts de panneaux solaires ou le nombre d’éoliennes dans les champs. Troisièmement Jérémy Rifkin accorde une attention importante à la production de polluants associée à la production d’énergie. Il ne s’agit pas seulement de l’augmentation mesurée expérimentalement de la teneur en CO2 de l’atmosphère (avec son effet sur le réchauffement climatique, que l’on y croie ou pas) mais également de l’augmentation d’autres polluants comme les NOx, SOx ou les particules fines, polluants liés à la combustion du charbon et des hydrocarbures, seules solutions « économiquement rentables » proposées dans l’article de Samuel Furfari. Il faut certainement aussi signaler que la vapeur d’eau à un temps de vie de 10 jours dans la troposphère par rapport à des dizaines d’années (un siècle) pour le gaz CO2.
-L’hydrogène n’est en effet pas une nouvelle source d’énergie mais bien un vecteur d’énergie… au même titre que l’électricité. Si l’on veut comparer ces deux vecteurs, il faut le faire au niveau de leur production, de leur transport et de leur distribution. L’électricité n’est pas plus que l’hydrogène une source d’énergie. Il faut la produire, la transporter et la distribuer avec tous les coûts d’infrastructures et de maintenance qui y sont liés.
-Le charbon est une source d’énergie non renouvelable qui correspond à la transformation géologique de la biomasse sous l’effet de la température, de la pression et du temps. Cette transformation a eu pour conséquence l’élimination de l’eau et de l’hydrogène de cette biomasse. N’est-il pas aberrant de vouloir ré-hydrogéner ce charbon pour le brûler et le re-décomposer en eau et dioxyde de carbone ? Ne serait-il pas plus intéressant d’utiliser ce charbon comme source de produits chimiques via la carbochimie ?
-Les conditions économiques et géopolitiques des années 60 sont très différentes de celles de 2018. En conséquence les conclusions des années 60 sur la société hydrogène sont aussi erronées… que celles du Club de Rome de la même époque sur les perspectives de production du pétrole.
-Il est exact que thermodynamiquement, la décomposition électrochimique de l’eau consomme beaucoup d’énergie… mais la combustion de l’hydrogène produit thermodynamiquement une aussi grande quantité d’énergie. La décomposition électrochimique de l’eau nécessite 1,23 V pour stocker un électron dans un atome d’hydrogène… mais le stockage d’un électron dans une pile ion-lithium nécessite plus de 4V ! De plus la pile ion-lithium contient des composants chimiques beaucoup plus corrosifs et dangereux que les électrolyseurs actuels.
-Il est exact que l’hydrogène est actuellement produit principalement à partir d’hydrocarbures dont le méthane, avec émission de CO2. Cet hydrogène est utilisé pour hydrogéner des hydrocarbures qui seront ensuite brûlés pour produire du CO2 et de l’eau. N’est-ce pas cela qui est aberrant ? N’est-il pas plus rationnel et beaucoup moins polluant de produire de l’hydrogène avec des sources d’énergie renouvelables et d’utiliser celui-ci dans des piles à combustible dont le rendement est supérieur au rendement de Carnot, maximum théorique que pourrait fournir tout moteur à combustion interne ? La Direction Générale de l’Energie a fixé des ambitions élevées d’augmentation de l’efficacité énergétique en Europe pour les années à venir. Diminuer les intermédiaires et augmenter les rendements, comme proposé dans la société hydrogène, sont deux des moyens disponibles pour atteindre ces ambitions.
-Les problèmes de sécurité du stockage sous pression de l’hydrogène gazeux sont connus et parfaitement maîtrisés. Il est beaucoup moins dangereux d’être assis dans une voiture sur un réservoir d’hydrogène sous pression développé avec des technologies liées à l’industrie spatiale que sur un réservoir d’essence obtenu par injection d’un polymère. La quantité d’énergie qui est stockée dans ces deux réservoirs est du même ordre de grandeur puisque c’est la quantité d’énergie nécessaire pour effectuer la même distance avec le même véhicule. Il n’existe d’ailleurs aucune limitation d’accès aux parkings avec une voiture H2 contrairement aux véhicules au LNG.
-Les études (voir documents du FCH JU) ont montré que l’hydrogène est la méthode la plus économique pour du stockage à long et moyen terme de l’énergie, offrant ainsi une solution à l’intermittence des sources d’énergie renouvelable.
-Si le prix de l’hydrogène produit par électrolyse est élevé c’est parce que le prix de l’électricité est élevé. Environ 80% du prix de l’hydrogène obtenu par électrolyse correspond au prix moyen de l’électricité utilisée pour produire cet hydrogène. Il faut que les éoliennes et les panneaux photovoltaïques soient utilisés principalement pour produire de l’électricité à destination des consommateurs mais quand la production est supérieure à la demande il est aberrant de ne pas utiliser l’énergie produite. Il faut donc dans ce cas produire de l’hydrogène par électrolyse avec une prix de l’électricité nul voire négatif (en janvier 2018, en Angleterre, le prix de l’électricité a atteint la valeur record de -68 livres/MWh). Dans ce cas l’hydrogène produit devient une denrée d’usage courant et non un produit de luxe. Si le prix de l’électricité est super faible (de l’ordre de 1 cent€/kWh), alors le rendement de la chaîne de transformation complète (dans les 2 sens) de l’hydrogène n’a quasi plus d’importance. Croire que résoudre le problème du déséquilibre entre production et consommation par de nouvelles interconnections électriques relève de l’utopie. Non seulement ces interconnections internationales n’existent pas encore (elles sont en cours de construction… mais à quel coût ?) mais au sein même de certains états européens ces interconnections sont largement insuffisantes (par exemple entre l’Ecosse et l’Angleterre, ce qui conduit à arrêter la production d’énergie éolienne en Ecosse, faute de consommation en Angleterre. En 2017, 1,49 million de MWh d’énergie éolienne ont ainsi été « perdus »).
-En ce qui concerne les véhicules à hydrogène, le problème de l’œuf et de la poule n’est en rien nouveau. Que s’est-il passé lors de l’introduction des véhicules automobiles ? Ceux-ci étaient beaucoup plus cher qu’un cheval et il n’existait aucun service de distribution d’essence. Le combustible devait être acheté… dans les épiceries ou les pharmacies quand il y en avait. Regardez d’anciennes photographies des rues des principales capitales européennes au début du 20ème siècle et vous y verrez beaucoup plus de véhicules à chevaux que de véhicules à moteur à combustion interne. Il est à noter qu’au début du 20ème siècle ce moteur à combustion interne était en compétition avec un moteur à pile à combustible (inventée en 1838 !!) et que ce n’est que grâce à la collaboration des Américains Henri Ford (production de véhicules à la chaîne) et John Davison Rockfeller (fondateur de la Standard Oil qui deviendra Esso puis Exxon Mobil) que le problème de l’œuf et de la poule a pu être résolu pour le moteur à combustion interne. Celui-ci a ainsi supplanté le moteur à pile à combustible. Pour changer la situation actuelle il faut une volonté politique de se soucier de la santé de la population et de son bien-être afin de réduire voire de supprimer les véhicules bruyants et polluants. C’est ce qui se passe dans un certain nombre de villes européennes. Le nombre de stations de remplissage fournissant de l’hydrogène actuellement en activité en Europe est de 133 (https://www.netinform.net/H2/H2Stations/H2Stations.aspx)
-« L’échec de la pile à combustible pour l’énergie stationnaire » mentionné par Samuele Furfari est très relatif. Au Japon en 2016, 193587 piles à combustible domestiques (5 kW) avaient été installées. La société POSCO a construit, dans la ville de Hwasung en Corée du Sud, une centrale de 59 MW fonctionnant avec des piles à combustible. Des sociétés telles que Fedex, Apple, Nokia, Google, Dreamworks ont installé aux USA des dispositifs de production d’énergie à base de piles à combustible dans une gamme de puissance allant de 400 kW à 10 MW. La révolution tranquille de Rifkin est en marche.
-Quand on aborde la situation en Afrique ou en Asie, il convient de comparer les deux vecteurs d’énergie que sont l’électricité et l’hydrogène sous tous leurs aspects économiques, la production d’énergie bien sûr mais sans oublier le transport et la distribution (y compris les coûts de maintenance) de ces vecteurs d’énergie. Des productions décentralisées, locales et autonomes d’énergie sont probablement moins coûteuses et plus démocratiques que d’installer des lignes à haute tension au travers des jungles et des déserts, surtout pour ces continents dont la densité de population est très inhomogène. Définitivement, pour l’Afrique, l’Asie et l’Amérique du Sud, l’hydrogène couplé aux sources renouvelables offre des opportunités bien supérieures au réseau électrique ingérable dans ces pays. Cette approche est illustrée par la compagnie kenyane de télécommunication qui vient tout récemment (juillet 2018) de commander 800 générateurs à pile à combustible pour remplacer les générateurs Diesel liés à ses relais de télécommunication.
Patrick Hendrick Professeur à l’Université Libre de Bruxelles
Jean-Luc Delplancke Collaborateur scientifique à l’Université Libre de Bruxelles et ancien Chef d’Unité du FCH JU
Tout d’abord je suis heureux que vous n’ayez trouvé aucune erreur factuelle. Je comprends que votre appréciation soit différente mais vous vous placez sur le plan de croyance, de l’espérance et de souhaits et non pas des faits. Je voudrais que vous ayez raison et qu’un jour ce à quoi vous aspirez devienne réalité. Ce serait bien en effet. Ma thèse est que comme sœur Anne on ne voit rien venir.
L’avenir nous dira qui a raison mais je crains que nous ne soyons plus là pour voir le rêve de Rifkin se réaliser. Dans tous les cas les applications annoncées depuis une bonne vingtaine d’années ne se sont pas concrétisées.
Par contre je ne vois pas sur quoi vous vous basez pour dire que je fais abstraction de la problématique de la pollution atmosphérique. Durant toute ma vie professionnelle j’ai lutté contre la pollution atmosphérique que je retiens être un problème sérieux qui doit absolument être maitrisé. Je prétends avoir fait énormément pour combattre et éliminer la pollution atmosphérique en développant des législations, des programmes et des projets. J’ai la faiblesse croire que j’ai fait plus que Rifkin… concrètement.
Où dans mon article voyez-vous que je dise qu’il faut ré-hydrogéner le charbon ? J’ai expliqué ce qui a été fait dans le passé pour bien montrer que les équations que je développe dans la suite de l’article ne se basent pas sur des théories mais sur des faits.
Oui, la combustion de H2 est intéressante du point de vue thermodynamique mais cela est une aberration chimique car – et c’est ma thèse – la demande mondiale en H2 ne va diminuer mais augmenter et qu’il faut donc réserver l’hydrogène pour cet usage noble. Si un jour on a tout l’hydrogène que l’on veut on pourra le faire mais pas avant. Si un jour on a toutes les énergies renouvelables que l’on veut tout devient possible. Si…mais personne de sérieux en politique énergétique ne voit cela avant le prochain siècle. C’est aussi cela que j’ai voulu montrer. Si on respecte les deux principes de la thermodynamique et que cela a un sens économique tout est possible. Évidemment.
Vous dites que l’étude FCH JU montre que le stockage sous forme de H2 « est la plus économique ». Peut-être, mais elle n’est pas « économique » sinon cela se saurait et se ferait.
L’argument que le prix de l’hydrogène est élevé est de la faute du prix élevé de l’électricité ne tient pas. Le prix de l’électricité est appelé à croître dans l’UE. Les rapports de la Commission européenne montrent année après année une croissance moyenne de 3,2% (par an). Et plus on ira vers la transition énergétique plus le prix de l’électricité augmentera. Le slogan est d’ailleurs « la transition énergétique a un coût mais cela vaut la peine ».
Les interconnections électriques (et gazières) sont un des fondements de la politique énergétique de l’UE. Je peux comprendre que vous n’y croyez pas, mais pour l’instant toute la politique énergétique européenne se résume en « transition énergétique et interconnections ». Le Plan Junker y fait une large place. Je rappelle que la création du marché intérieur de l’électricité (pas de la libération qui est un autre concept) a été décidée il y a 25 ans au moment où on ne parlait pas de transition énergétique. Ce sont des problématiques disjointes. Dans son fameux arrêt PreussenElektra la cour de justice européenne oblige la mise en œuvre du marché intérieur de l’électricité ce qui indirectement oblige la création des interconnections manquantes.
Il est étrange de laisser entendre que c’est parce que Rockefeller était propriétaire de puits de pétrole que l’automobile thermique s’est imposée. Si depuis un siècle le véhicule à produits pétroliers existe c’est parce qu’il n’a pas eu de concurrence non seulement économique mais aussi de par sa facilité.
Les idées que vous évoquez ont été testées durant les années 1970 et financées abondamment notamment par la Commission européenne depuis et je suis très bien placé pour le savoir. Preuve s’il en est que la volonté politique existe. Il suffit de lire les résolutions du parlement européen et les communications de la Commission européenne. C’est aussi ce que j’ai tenu à montrer : les financements et la volonté politique existent ! C’est l’économie qui manque.
Que des centrales électriques à piles à combustibles existent n’est pas remis en cause par mon article. La preuve est que j’ai même illustré cela par une photo d’un projet que j’ai géré. Je me souviens des efforts sérieux et abondants qui ont été réalisés tant par l’industrie que par les pouvoirs publics. Vous avez le droit d’être optimiste quant à son avenir moi je ne le suis plus.
Quant à l’Afrique et l’Asie permettez-moi de ne pas vous suivre. Les pays pauvres ne vont pas se payer ce que nous ne savons pas nous payer. Je développe mon argumentation sur ce sujet dans mon livre «La vie sans énergie moderne ».
N’oubliez pas que je termine mon article en disant qu’il faut continuer à développer la recherche dans ce domaine – comme au demeurant dans tous les domaines ! Ce que je ne partage plus est la volonté de forcer le marché à accepter des solutions non-économiques par des décisions politiques.
Merci de mettre la thermodynamique en avant et ainsi les limites scientifiques objectives. Malheureusement, nous nous trouvons face à des lobbys et des politiciens que restent sourds à la science ou qui en utilisent les seules parcelles qui peuvent défendre leurs idéaux.
Comment est-il possible de résumer cet excellent article à sa plus simple expression pour transmettre un message scientifique simple qu’il suffit de répéter à outrance?
Si mes calculs sont corrects, la limite physique de production de l’hydrogène par électrolyse consomme le double de l’énergie qui peut-être produite par les centrales électriques (pci de l’hydrogene et rendement de Carnot). C’est donc une ineptie, le mouvement perpétuel réinventé!
À mes yeux, la seule utilisation techniquement viable de l’hydrogène n’est pas thermodynamique mais physique, à savoir la fusion nucléaire. Un autre challenge technologique mais également in dogme politique. Si la technologie peut être développée, celle-ci aurait au moins un sens énergétique. Qu’en pensez-vous?
Votre article comporte des bons éléments mais des bases par exemple de production d’hydrogène industriel fausses qui rendent les conclusions erronées : vous parlez de la décomposition de l’eau dans des conditions « standards de température et de pression » ce qui n’est évidemment pas le cas, on optimise tous les paramètres. Outre les températures (que l’on récupère systématiquement et pas seulement sur les grandes unités) et pressions optimales, vous éludez les électrolytes, la radiolyse etc De même la prise en compte de la thermodynamique et de la cinétique électrochimique (plus rapide sur graphite par exemple). Les rendements peuvent ainsi grandement varier dans la production d’hydrogène.
Vous ne citez pas non plus l’électrométhanogénèse qui a un rendement Power to gas (P2G) de 96% courant en laboratoire et plus de 80% en mode industriel actuellement (SoCalGas, Eletrochaea etc) avec un potentiel plus élevé. Vous n’évoquez pas non plus la production d’hydrogène via le solaire CSP qui a nettement évolué ces dernières années et dispose de potentiels importants à prix rapidement compétitif comme la plupart des pays ensoleillés dont l’Espagne en Europe ou l’Australie pour notamment l’export vers l’Asie du Sud Est, Japon et Corée, entre autres l’ont relevé en plus de l’IEA parmi d’autres qui édite des publications spécifiques à ce thème.
Quant aux prix de l’hydrogène et du P2G il y a plusieurs procédés et diverses étapes de développement donc on peut trouver des écarts de prix importants dans les études mais des opérateurs de gaz importants aux Etats-Unis et en Californie notamment ont déjà publié des études pratiques que l’on ne peut qualifier d’optimistes puisque étant issues d’opérateurs marchands de gaz de schiste ils n’ont aucun intérêt à fausser les données et ils estimaient en 2017 (SPG et PG&E) la compétitivité du P2G atteinte aux Etats-Unis comparé au stockage batteries dont on peut constater les prix régulièrement en nette baisse (voir nombreuses études sur le sujet dont étude Lazard annuelle ou Bnef entre multiples autres).
Vous trouverez d’autres études où le gaz est confronté à des coûts de production, transports, fuites, bilan d’émissions etc désormais incompressibles qui handicapent sa compétitivité comparé au P2G produit sur place là où c’est nécessaire et optimal dans le cas par exemple de la régulation électrique du réseau où les pile à combustible biométhane atteignent des bons résultats et aboutissent à un différentiel de coût avec le prix du gaz de schiste, pourtant bas aux Etats-Unis, finalement peu élevé à présent et accessible, sous réserve de fixer un prix adéquat aux émissions du gaz de schiste.
Les nombreux pays et les encore plus nombreuses entreprises qui se sont lancés dans l’hydrogène énergie et le P2G au sein d’importantes alliances et qui y consacrent des sommes élevées ne sont pas si fous qu’ils en ont l’air et on peut constater les évolutions et résultats en cours, nombre d’unités, tailles, injections, produits etc. Les seuls trains à hydrogène voient déjà leurs commandes augmenter tant pour Alstom que pour Ballard et ces trains sont déjà compétitifs comparés au réseau électrique classique (caténaires etc) très coûteux en entretien sur un marché mondial important et ce n’est qu’un exemple parmi beaucoup d’autres, facile à vérifier.
Pour produire de l’H², il y a aussi la gazéification à la vapeur de la biomasse qui quand elle est réalisée avec de l’électricité (renouvelable) consomme 4 fois mois d’électricité que l’électrolyse
Et lorsque le substrat carboné , utilisé pour réduire la vapeur d’eau est un déchet, elle permet de produire de l’H² à moins de 1 € le kg
C6H9O4 + 8 H2O ==> 25/2 H2 + 6 CO2
La technique de la gazéification que vous évoquez nous ramène au début du XXème siècle. C’est extrêmement compliqué avec un combustible peu oxygéné comme le charbon. Cela devient impraticable industriellement avec des combustibles oxygénés comme la biomasse ou pire encore les déchets. Tout cela existe en théorie et a été essayé. Si cela a été abandonné c’est parce qu’il n’y a aucun sens économique.
Je rappelle que les Nazis ont produit du carburant de synthèse à partir d’hydrogène lui-même produit par gazéification.
Utiliser l’énergie de la vapeur d’eau pour extraire l’hydrogène et « recracher du CO2… autant utiliser directement ce carburant…
Utiliser de l’électricité pour faire de l’hydrogène qui, mis dans une pile à combustible refera de l’électricité, je crois rêver…
Connaissez vous « energy-observer »: le multicoques sur lequel il y a :
des ailes de kite
des panneaux photovoltaïques
des batteries, des électrolyseurs
des réservoirs d’hydrogène
des piles à combustibles
des pod électriques réversibles
et qui au final se déplace à 10 nœuds alors que quand il avait deux voiles, il naviguait à 30, 40 nœuds…
N’étant pas un scientifique, je me garderai d’entrer dans cet aspect du débat. J’aimerais seulement attirer l’attention sur la démographie galopante qui a fait passer en moins de 65 ans la population mondiale de 2, 5 milliards d’habitants en 1955 à 7, 5 milliards environ aujourd’hui et une prévision de 11 milliards d’ici à la fin du siècle. C’est une facteur nouveau et inéluctable qui ne s’est jamais produit auparavant dans l’histoire. Dès lors, à vue humaine, pour satisfaire les besoins croissants en énergie, il faudra produire beaucoup plus d’énergie et donc, forcément, accroître les nuisances de celles-ci sur l’environnement et le réchauffement climatique supposé. Une autre solution radicale pour « préserver la planète » et ses ressources forcément limitées consisterait à inverser la courbe démographique pour arrêter sa croissance. Pour cela, il faudrait « produire » plus de morts que de naissances … Il semble que des politiques inquiétantes s’acheminent plutôt dans le sens de cette « solution finale ». J’ai beaucoup d’admiration et de respect pour les scientifiques, tels Samuele Furfari qui œuvrent à tenter d’apporter des réponses pour prolonger un temps l’existence de l’humanité mais je me demande quand-même si les signaux que nous envoient la science et la démographie galopante ne nous indiquent pas que nous nous acheminons vers une fin inéluctable (la nôtre est sûre et certaine) et celle de l’humanité? La seule réponse susceptible de produire la paix intérieure est d’ordre spirituelle et nous est rappelée chaque jour lorsque nous consultons notre PC ou notre calendrier qui nous indiquent qu’aujourd’hui, sur le compteur du temps qui passe, nous sommes le 9 juillet 2020 après Jésus-Christ.
@ Gianni Inglesi. Tout en nuances p.r. à vos invocations « spirituelles » et ces projections « démographiques »… fondées sur des thèses malthusiennes du 19e siècle, thèses amplifiées ensuite par le Club de Rome des ’70s… peut-être vous/nous faudrait-il tenir compte de la bonne vieille citation « les arbres ne montent pas jusqu’au ciel » ? Ceci pas uniquement en bourse ou sur la très suspecte « courbe de Hockey climatique » de Michael Mann !
L’auto-régulation de la croissance démographique s’accomplira sans avoir recours au Ciel, mais de manière plus prosaïque au travers de l’actuelle crise covid-19 (et de bien d’autres pandémies ravageuses avant/après elle). Ceci sans devoir invoquer d’innombrables autres « futures causes d’origine humaine » dont l’histoire terrestre est tant chargée.
Si vous disposez d’une solution pacifique à cette auto-régulation, faites-la vite connaître à tous ceux acteurs de notre devenir, à quelque niveau qu’ils soient parmi notre société (de bas en haut de celle-ci et inversément) ?
Sinon, laissons de côté la présomption d’une fin inéluctable de l’humanité !
Et le H2 dans tout ceci ?
Comme le soulignait d’emblée l’auteur (S. Furfari), H2 n’est pas une source d’énergie mais un « vecteur » ! De là, procédés – rendements – coûts et leur bilan respectif de bout-en-bout doivent être comparés. Or ils sont réfléchis et chiffrés depuis longtemps (celui inclus le sympathique CO2 de la vie, dit de toutes nos misères mondiales) !
Etant opportuniste et politicienne, la «science » de Mr Rifkin …an American economic and social theorist, writer, public speaker, political advisor, and activist… [1] a certainement enchevêtré les synapses de certains milieux influents de la Commission UE (celle d’époque Mr Juncker ?). De surcroît influé dans l’Allemagne de Mme Merckle (et ses EnR, plus ses gros vecteurs carbonés).
Tous ceux-là ont cédé ‘comme un seul homme’ à l’homme providentiel dont question ! Peut-être le doivent-ils aussi à l’instigation d’autres alchimistes adeptes du « moteur à eau » ? Même si le constructeur BMW semble miser une part de ses recherches sur ce « vecteur H2 » pour certaines niches de véhicules…
Restons donc sereins, sérieux et plutôt interrogatifs !
[1] https://en.wikipedia.org/wiki/Jeremy_Rifkin