10 mai

Production de l'hydrogène vert : un procédé décarboné

L'hydrogène vert est en train de devenir une solution clé dans la transition énergétique mondiale. Ce gaz décarboné, produit par électrolyse de l'eau, offre un potentiel considérable pour réduire les émissions de carbone dans divers secteurs, notamment l'industrie, le transport et la production d'électricité. Voyons de plus près les différentes applications de l'hydrogène vert dans le secteur de l'aéronautique.

L'hydrogène est en train de devenir une solution clé dans la transition énergétique mondiale. Mieux que l'hydrogène : l'hydrogène vert, produit par électrolyse de l'eau grâce à une électricité verte offre un potentiel considérable pour réduire les émissions de carbone dans divers secteurs, notamment l'industrie, le transport et la production d'électricité.

Voyons de plus près les différentes applications de l'hydrogène vert dans le secteur de l'énergie.

Production d'hydrogène vert ( IA Copylot Bing )

L'hydrogène peut être produit en faisant passer un courant électrique à travers de l'eau (H2O), ce qui sépare les molécules d'eau en hydrogène (H2) et en oxygène (O2). Cette méthode nécessite de l'électricité. Si celle-ci provient d'une source renouvelable ou de l'énergie nucléaire, l'hydrogène obtenu est qualifié d'hydrogène vert. En effet, sa production n’entraîne aucune émission de CO2.

D’autres méthodes de production existent, mais elles créent, à un moment ou à un autre, du CO2.

Ainsi lorsque l'hydrogène est produit à partir de vapeur d’eau et de gaz naturel, par un processus appelé reformage. Dans ce processus, le gaz naturel réagit avec la vapeur d'eau à haute température et sous pression pour produire de l'hydrogène (H2), mais aussi du monoxyde de carbone (CO), qui se convertit ensuite en dioxyde de carbone (CO2) par réaction avec de l'oxygène.

Enfin, l'hydrogène peut être produit par décomposition thermique de composés contenant de l'hydrogène, tels que les hydrocarbures gazeux ou les hydrocarbures liquides, à des températures élevées. Cette décomposition engendre d’importantes émanations de CO2.

Certaines bactéries et algues peuvent produire de l'hydrogène par fermentation ou photosynthèse. Bien que cette méthode soit encore en cours de développement, elle présente un potentiel intéressant pour une production d'hydrogène plus durable… mais pas complètement verte (la fermentation, elle aussi, libère du CO2).

Chacune de ces méthodes présente ses propres avantages et inconvénients en termes de coût, d'efficacité et d'impact environnemental, et le choix de la méthode dépend souvent des ressources disponibles et des usages que l’on entend faire de l’hydrogène – carburant pour véhicules, énergie industrielle, production d’engrais…

Le stockage de l'hydrogène est un défi majeur en raison de sa faible densité énergétique et de son caractère très inflammable.

Le mode de stockage dépend-il des usages ?

L'hydrogène est comprimé à haute pression dans des réservoirs spéciaux en métal, en fibre de carbone ou en composite. C'est l'une des méthodes les plus courantes de stockage de l'hydrogène pour les applications industrielles et automobiles. Cependant, cela nécessite des réservoirs solides et sûrs pour résister à la pression élevée.

L'hydrogène peut être refroidi et stocké sous forme liquide à des températures très basses (-253°C). Cependant, cette méthode nécessite des installations complexes de liquéfaction et de stockage, ainsi qu'une isolation thermique efficace.

L'hydrogène peut être absorbé par des matériaux solides poreux, tels que certains types de charbon actif, de métallo-organiques et de nanomatériaux. Cette méthode offre un stockage sûr à température ambiante, mais nécessite des matériaux spécifiques et peut avoir des limites en termes de capacité de stockage.

Et comment le déstocke-t-on ?

L'hydrogène peut être absorbé dans certains métaux ou alliages métalliques, tels que le magnésium ou le zirconium. Cette méthode offre un stockage sûr à température ambiante, mais nécessite des matériaux appropriés et peut présenter des défis en termes de cinétique de sorption et de réversibilité.

L'hydrogène peut être stocké sous forme de composés chimiques, tels que l'ammoniac (NH3) ou les hydrures métalliques. Ces composés peuvent libérer de l'hydrogène lorsqu'ils sont chauffés ou soumis à d'autres conditions spécifiques. Cependant, cette méthode nécessite des réactions chimiques pour libérer l'hydrogène et peut présenter des problèmes de sécurité et de stabilité.

Chacune de ces méthodes de stockage présente des avantages et des inconvénients en termes de densité de stockage, de sécurité, de coût et de praticité, et le choix de la méthode dépend souvent de l'application spécifique et des contraintes technologiques et économiques.

Les avions ont besoin de carburant à haute densité énergétique pour des performances optimales. L'hydrogène a une faible densité énergétique par rapport aux carburants conventionnels tels que le kérosène, ce qui signifie qu'il faut plus d'espace pour stocker la même quantité d'énergie. Le stockage comprimé ou liquide de l'hydrogène est donc essentiel pour réduire son volume et faciliter son transport.

L'introduction de l'hydrogène comme carburant nécessiterait des infrastructures au sol pour la production, le stockage, le ravitaillement et la distribution d'hydrogène dans les aéroports. En vol, il faudrait également des systèmes de stockage, de distribution et de gestion de l'hydrogène à bord des avions, ainsi que des systèmes de sécurité pour prévenir les risques d'incendie ou d'explosion.

Les moteurs à combustion actuels des avions fonctionnent avec des carburants liquides comme le kérosène. L'intégration de l'hydrogène en tant que carburant nécessiterait des moteurs adaptés à cette source d'énergie, tels que des moteurs à hydrogène ou des piles à combustible. Ces technologies doivent être développées et testées pour assurer des performances fiables et économiques.

Le transport et l'utilisation de l'hydrogène comme carburant pour les avions seraient soumis à des réglementations strictes en matière de sécurité établies par les autorités de l'aviation civile. Il est essentiel de respecter ces normes pour garantir la sécurité des passagers, de l'équipage et des opérations aériennes.

L'hydrogène est souvent considéré comme un carburant propre car il ne produit pas de gaz à effet de serre lorsqu'il est brûlé, seulement de l'eau. Cependant, la production d'hydrogène à grande échelle nécessite actuellement l'utilisation d'énergies primaires telles que le gaz naturel ou le charbon, ce qui peut avoir des implications sur l'empreinte carbone globale de l'aviation à moins que des méthodes de production durables ne soient adoptées.

En résumé, l'introduction de l'hydrogène comme carburant pour les avions représente un potentiel considérable pour réduire les émissions de gaz à effet de serre et améliorer la durabilité de l'aviation. Cependant, cela nécessitera des investissements importants dans la recherche, le développement et l'infrastructure pour surmonter les défis technologiques,

logistiques et réglementaires associés.

Une pile à hydrogène également appelée pile à combustible, est un dispositif électrochimique qui convertit l'énergie chimique de l'hydrogène et de l'oxygène en électricité et en chaleur de manière propre et efficace.

L'hydrogène est introduit du côté de l'anode de la pile à combustible. À cette anode, l'hydrogène est séparé en protons (ions hydrogène) et en électrons grâce à une réaction d'oxydation catalysée par un catalyseur.

Les électrons libérés dans la réaction d'oxydation circulent à travers un circuit externe, produisant de l'électricité qui peut être utilisée pour alimenter des appareils électriques ou recharger des batteries.

Les protons formés à l'anode migrent à travers une membrane électrolytique, souvent composée de polymères conducteurs d'ions (PEMFC pour Proton Exchange Membrane Fuel Cell). Cette membrane permet le passage sélectif des protons tout en empêchant le passage des électrons.

Du côté de la cathode, les protons migrent et rencontrent des molécules d'oxygène. En même temps, des électrons provenant du circuit externe et des protons provenant de l'anode réagissent avec l'oxygène pour former de l'eau (H₂O).

L'énergie chimique de l'hydrogène et de l'oxygène est ainsi convertie en électricité et en chaleur. L'électricité produite peut être utilisée pour alimenter des moteurs électriques ou des appareils, tandis que la chaleur générée peut être récupérée pour le chauffage.

La seule émission résultante de la réaction chimique est de l'eau pure, ce qui en fait une source d'énergie propre et respectueuse de l'environnement.

Electrolyse de l'eau pour produire de l'hydrogène

Les piles à hydrogène présentent plusieurs avantages, notamment une grande efficacité énergétique, une faible émission de polluants et une flexibilité d'utilisation dans divers secteurs, tels que les transports, les applications stationnaires et les appareils portables. Cependant, des défis subsistent, notamment en ce qui concerne le coût, la durabilité et l'infrastructure de distribution de l'hydrogène.