Utiliser l’énergie hydrogène comme carburant
L’énergie hydrogène peut être utilisée comme alternative aux combustibles fossiles et de nombreux scientifiques à travers le monde estiment que l’hydrogène, en tant que source d’énergie, pourrait être une solution permanente à la crise mondiale de l’approvisionnement énergétique à laquelle nous faisons face.
Comme le gaz hydrogène (symbole, H) peut être produit à partir de l’eau, il est donc l’un des combustibles les plus légers, efficaces, économiques et les plus propres de la planète. Il a ainsi un grand potentiel pour devenir l’un de nos carburants principaux pour alimenter nos véhicules, en favorisant un avenir plus propre et plus vert.
L’hydrogène est l’élément le plus simple et le plus abondant sur Terre, car un atome d’hydrogène se compose d’un seul proton et d’un seul électron, ce qui en fait le premier élément du tableau périodique. Mais malgré sa simplicité et son abondance, l’hydrogène ne se trouve pas naturellement à l’état gazeux sur Terre ; il est toujours combiné avec d’autres éléments.
Par exemple, l’eau est composée de H2O. C’est pratique puisque plus de 72 % de notre planète est recouverte d’eau, ce qui rend la production d’hydrogène comme source d’énergie hautement durable, et un bon candidat dans notre tentative d’augmenter l’efficacité énergétique.
L’hydrogène existe également dans la nature sous forme d’hydrocarbures présents dans de nombreux organismes organiques et vivants, qui constituent la majorité de nos combustibles énergétiques actuels, tels que le gaz naturel, l’essence, le propane et le méthane. Dans sa forme pure, l’hydrogène est un gaz incolore et inodore, mais il est hautement inflammable, agissant comme un vecteur d’énergie, et non comme source d’énergie.
L’hydrogène n’est pas une source d’énergie primaire qui peut être facilement extraite comme le charbon, le pétrole ou le gaz. Au contraire, l’hydrogène est classé comme une source d’énergie secondaire, similaire à celle de l’électricité qui doit d’abord être générée à partir d’une autre source d’énergie, qu’il s’agisse de photovoltaïque ou de combustibles fossiles.
Nous avons tous appris dans nos cours de sciences à l’école que l’eau est le résultat de la combinaison de deux atomes d’hydrogène et d’un atome d’oxygène (H2O). Étant donné que l’eau est si courante, la plupart des méthodes pour produire du gaz hydrogène se concentrent sur son extraction de l’eau par électrolyse.
L’électrolyse sépare les molécules d’hydrogène des molécules d’oxygène dans l’eau en utilisant de l’électricité. Nous pouvons également les séparer en utilisant la lumière du soleil au lieu de l’électricité, et ce processus est appelé « photolyse ». On pourrait penser qu’utiliser de l’électricité générée à partir de combustibles fossiles pour produire de l’hydrogène contredit l’idée, mais puisque l’énergie électrique nécessaire pour séparer l’eau est faible, nous pouvons également utiliser des cellules photovoltaïques alimentées par le soleil pour générer suffisamment d’électricité pour produire de l’hydrogène. Ce processus est appelé « photoélectrolyse ».
Pour tirer parti des avantages d’un approvisionnement en énergie hydrogène véritablement durable fournissant de l’énergie au monde, nous devons produire de grandes quantités d’hydrogène par le processus d’électrolyse en utilisant des ressources non fossiles, comme l’eau, et idéalement en utilisant de l’électricité dérivée de sources d’énergie renouvelables, comme les photovoltaïques, les éoliennes, l’hydroélectricité, etc. Ce scénario idéal de production d’énergie hydrogène durable à partir du soleil en divisant l’eau de nos océans crée un tout nouveau terme et une nouvelle expression en matière d’énergie renouvelable : « Hydrogène solaire ».
Produire de l’énergie hydrogène par électrolyse
L’électrolyse est le processus par lequel un courant électrique est passé à travers l’eau et brise les liaisons chimiques qui existent entre les atomes d’hydrogène et d’oxygène. L’équipement utilisé pour cela est appelé un « électrolyseur ». Un électrolyseur se compose essentiellement d’un élément positif appelé anode (A), d’un élément négatif appelé cathode (K), tous deux immergés dans un liquide appelé électrolyte qui peut conduire un courant.
Hydrogène par électrolyse
Lorsque l’alimentation en tension électrique est connectée aux deux électrodes, un courant électrique passe à travers l’électrolyte conducteur, provoquant le flux d’électrons de l’anode (où l’oxydation se produit) vers la cathode (où la réduction se produit), décomposant l’eau en ses éléments constitutifs, l’hydrogène et l’oxygène.
Une membrane de séparation est utilisée pour séparer les protons et les électrons de l’hydrogène. Dans la plupart des cas, l’électrolyse de l’eau est utilisée pour produire l’hydrogène, mais l’électrolyte peut également être une solution d’eau, d’acides ou de sels métalliques.
Le courant électrique brise également les liaisons moléculaires entre les atomes, et une fois brisés, les particules atomiques (hydrogène et oxygène) deviennent soit chargées positivement soit négativement, et peuvent se déplacer librement à travers l’électrolyte.
Comme les deux électrodes sont également chargées positivement et négativement via l’alimentation de la batterie, cela attire les atomes libres vers elles, les atomes d’hydrogène étant attirés vers l’électrode négative, formant des bulles de gaz hydrogène.
En général, les atomes d’hydrogène positifs se rassemblent à l’anode (qui est négative), tandis que les ions d’oxygène négatifs résident à la cathode (qui est positive). Lorsque les gaz hydrogène et oxygène formés à chaque terminal deviennent suffisamment importants, ils se libèrent et montent à la surface où le gaz hydrogène est collecté et le gaz oxygène est évacué. Ainsi, on peut voir que l’électrolyse est une méthode de production d’énergie chimique (hydrogène et oxygène) en passant un courant électrique à travers une substance chimique appelée électrolyte aqueux.
Une fois que l’hydrogène a été collecté et purifié, nous pouvons ensuite utiliser l’hydrogène propre comme carburant de plusieurs manières différentes, car il a une plus grande plage de limites d’inflammabilité et une énergie d’ignition plus faible que de nombreux autres combustibles. Également utilisé principalement comme un gaz industriel, les technologies nécessaires à la production, au stockage et à la transmission de l’hydrogène sont bien établies dans les industries chimiques.
Contrairement aux combustibles à base d’essence ou d’alcool, qui sont des liquides facilement manipulables à des pressions ambiantes et à température ambiante, l’hydrogène est un gaz léger à température ambiante normale. Mais l’avantage de l’hydrogène en tant que carburant est que l’hydrogène peut être converti en liquide à basse température, autour de -253oC, et livré sous forme liquide par route ou chemin de fer, ou comprimé à haute pression et livré par gazoducs. Cependant, la liquéfaction de l’hydrogène reste très énergivore malgré des décennies d’expérience industrielle.
L’énergie hydrogène comme source de carburant
Après avoir vu comment l’énergie hydrogène est produite par électrolyse, une application de l’hydrogène comme source de carburant est en conjonction avec une pile à hydrogène. Une pile à hydrogène est un dispositif qui convertit l’énergie chimique d’un carburant, dans ce cas l’hydrogène, en énergie électrique qui peut être utilisée pour alimenter des maisons, des écoles ou nos voitures.
Les piles à hydrogène peuvent fonctionner avec une large gamme de carburants, pas seulement l’hydrogène, et sont considérées par beaucoup comme une source d’énergie propre et à haute efficacité. Les piles à hydrogène fonctionnent en mélangeant l’hydrogène (le carburant) avec l’oxygène (l’oxydant) pour produire de l’électricité et de l’eau propre (comme sous-produit).
Ainsi, une pile à hydrogène fonctionne sur le principe de la combustion électrochimique en recombinant les deux atomes pour produire une réaction exothermique de lumière et de chaleur. Cela offre l’opportunité d’une conversion très efficace de l’hydrogène et d’un oxydant (généralement l’air qui contient de l’oxygène) en énergie électrique, puisque le carburant hydrogène peut être stocké en tant que combustible chimique et converti en énergie électrique lorsque cela est nécessaire. Le seul sous-produit est de l’eau lorsque les atomes d’hydrogène et d’oxygène se recombinent.
Alors, quelle est la différence entre une pile à hydrogène et une batterie ? Bien que la batterie et la pile à hydrogène soient des dispositifs électrochimiques capables de convertir l’énergie chimique en énergie électrique, la réaction chimique au sein de la batterie libère des électrons libres qui circulent entre les deux bornes et sortent vers la charge comme électricité.
Mais plus important encore, les batteries coûtent cher et l’électricité consommée par la charge connectée utilise constamment l’énergie stockée des batteries. Cela est dû au fait qu’une batterie est un système de stockage d’énergie scellé et qu’une fois que l’énergie est utilisée, la batterie doit être rechargée ou remplacée, lui conférant une durée de vie relativement courte.
La pile à hydrogène, quant à elle, fonctionne davantage comme un convertisseur d’énergie que comme un dispositif de stockage d’énergie d’une batterie. La réaction chimique d’une pile à hydrogène convertit le combustible hydrogène et l’oxygène en électricité, produisant de l’eau comme sous-produit. Ainsi, une pile à hydrogène continuera à fournir de l’énergie tant qu’elle est alimentée en hydrogène, et ne nécessite donc pas d’être rechargée ou remplacée comme une batterie. L’avantage est qu’une pile à hydrogène peut être remplie d’hydrogène tout comme remplir un véhicule automobile de diesel ou d’essence.
Mais une seule pile à hydrogène ne suffit pas pour alimenter un véhicule, donc plusieurs sont combinées ou empilées ensemble pour augmenter la tension de sortie potentielle, d’une manière similaire à la connexion des batteries. La tension requise pour alimenter un petit véhicule peut varier de quelques centaines de volts à plusieurs kilovolts (kV), en fonction de l’autonomie et de la vitesse.
Les piles à hydrogène présentent de nombreux avantages, les principaux étant qu’elles sont très faciles à fabriquer, ne contiennent aucune pièce mobile, de ce fait, elles sont silencieuses et nécessitent très peu d’entretien, contrairement aux batteries conventionnelles.
Les piles à hydrogène sont également légères et polyvalentes. Les piles peuvent être fabriquées grandes ou petites, et utilisées à grande ou petite échelle pour fournir de l’énergie verte à une maison ou pour alimenter une voiture. Et ayant un design modulaire, vous pouvez utiliser une seule pile ou en connecter plusieurs ensemble pour des puissances de sortie augmentées, tout comme les batteries.
Résumé du tutoriel
L’énergie hydrogène est une énergie gratuite provenant du soleil, car nous pouvons utiliser des photovoltaïques (la création d’électricité à l’aide de cellules solaires) pour libérer de l’énergie grâce à la chimie de l’eau.
Les molécules d’eau se composent d’un atome d’oxygène lié à deux atomes d’hydrogène (H2O), et en libérant ces atomes (à l’aide de l’électricité), nous pouvons créer du gaz hydrogène à utiliser comme partie d’un système de stockage d’énergie solaire.
Les principales utilisations de l’énergie hydrogène jusqu’à présent ont été en tant que produit chimique industriel, engrais ou pour une utilisation dans l’industrie spatiale, où nous avons vu à la télévision que sa combustion avec de l’oxygène pur fournit la propulsion pour les étages de fusée, ce qui montre à quel point l’énergie peut être stockée dans un système à hydrogène.
Cependant, ainsi que pour les moteurs de fusée, de nombreux systèmes d’énergie hydrogène verte beaucoup plus petits sont désormais en cours de développement, y compris des « véhicules à zéro émission » alimentés par hydrogène (comme ceux produits par Honda et Toyota), qui utilisent soit un moteur à combustion interne modifié soit plusieurs piles à hydrogène comme source de carburant.
Malheureusement, aujourd’hui, la majorité du gaz hydrogène consommé dans le monde est généré à partir de combustibles fossiles, notamment le gaz naturel, à travers un processus appelé reformage à la vapeur. Pour produire de l’énergie hydrogène par reformage à la vapeur, le gaz naturel réagit avec de la vapeur sous pression à très haute température dans une chambre de combustion fermée.
Un catalyseur métallique est utilisé pour aider à décomposer le gaz naturel, libérant du méthane qui est ensuite mélangé avec de l’eau pour produire de l’hydrogène vert. Cette réaction crée également des oxydes de carbone tels que le monoxyde de carbone et le dioxyde de carbone comme sous-produits, ce qui peut nuire à l’environnement s’ils sont libérés.
Cependant, la production à grande échelle d’hydrogène par électrolyse utilisant des sources d’énergie renouvelables, telles que l’énergie photovoltaïque, l’hydroélectricité ou même l’énergie nucléaire pour créer les courants électriques nécessaires à la séparation des molécules, rendrait le processus de production d’énergie hydrogène par électrolyse beaucoup plus abordable. De plus, d’autres sources d’énergie verte pourraient être obtenues grâce à l’utilisation de biomasse : déchets, eaux usées et résidus agricoles sont toutes renouvelables à l’infini et ont peu d’effets néfastes sur l’environnement.
En plus du transport, l’énergie hydrogène peut également être utilisée efficacement pour produire de la chaleur, de l’électricité ou une combinaison des deux. Le problème est que comme le coût de production de l’hydrogène à grande échelle demeure relativement élevé, il est peu probable qu’il soit utilisé comme carburant simplement pour chauffer nos maisons. D’autres types de combustibles fossiles à base de pétrole sont plus efficaces à cette fin.
Étant donné que la technologie de l’énergie hydrogène évolue constamment et a le potentiel d’offrir des avantages significatifs par rapport aux combustibles conventionnels en termes de faibles émissions ou d’absence d’émissions, avec une possible intégration du stockage d’énergie hydrogène avec des sources d’énergie renouvelables, cela offre la possibilité d’installer des systèmes de puissance distants économiquement efficaces tout en réduisant les coûts externes de l’énergie liés à de nombreux combustibles fossiles.
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