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Quelques éléments sur le cycle de l’hydrogène - Frédéric LIVET

  • Publié le 1 août 2004
Frédéric LIVET
  • Production d’énergie
  • Stockage de l’énergie

 

Frédéric LIVET : Quelques éléments sur le cycle de l’hydrogène

 

Engouement

Les activités industrielles sont en ce moment considérées comme intrinsèquement polluantes, et nos confrères, à la recherche de la pureté des origines ont retrouvé le Jardin d’Eden dans l’hydrogène.

Je veux discuter de la faisabilité des annonces médiatiques sur la ``civilisation Hydrogène’’. Pour avoir des informations élémentaires sur ce sujet, j’apprécie beaucoup le site de Anne-Sophie Corbeau, (http://www.annso.freesurf.fr/), qui donne une grande quantité d’informations. En général avec le web, on est malheureusement noyé sous les informations, et peu de synthèses existent qui ne soient des plaidoyers ``pro-domo’’. Les informations que l’on obtient sur ce sujet sont souvent le fait de spécialistes qui défendent leur fromage, et les sceptiques ne peuvent s’exprimer sans risquer de mettre en cause leur gagne-pain. Je n’ai trouvé de papiers contradictoires qu’en Anglais.

Il me semble bien entendu que l’hydrogène ne peut être utile qu’au transport et à la transformation de l’énergie, et pas comme source d’énergie. Je veux essayer donc, à travers les cycles proposés, de regarder les avantages comparés de l’hydrogène et de l’électricité ``traditionnelle’’. Je vais regarder ce cycle à l’envers, en partant du domaine où beaucoup d’efforts semblent faits, celui de l’automobile. Pour la même raison que les travaux sur les batteries, c’est un domaine où le remplacement des hydrocarbures paraît urgent.

Pour effectuer des comparaisons, il convient de donner à la fois des idées de rendement thermique (thermodynamique) et des idées de prix. Une erreur courante est en effet de croire qu’avec une politique suffisamment volontariste, on peut faire n’importe quoi.

Je ne puis étudier le foisonnement de procédés proposés, je prends ceux qui semblent être les plus sérieux.

Un exemple : utiliser l’hydrogène dans les automobiles

Il s’agit ici (à part BMW) de l’utilisation de la Pile à Combustible (PAC) pour obtenir de l’électricité qui anime la voiture. C’est la pile ``PEMFC’’ qui suscite de l’intérêt. Ces piles sont très chères. Il y a trois contributions équivalentes a leur prix élevé :
 Les membranes perméables (Nafion)
 Les électrodes : elles restent très chères, même si on a réduit la quantité de Platine nécessaire
 Les plaques bipolaires

On parle d’un prix de 2000 Euros par kilowatt. Si on veut une voiture capable de donner 25 Kw (33 CV ?), ça représente 50000 Euros. Je donne en annexe le site de Ballard (Canada) et je montre ses contradictions.

Il faut rajouter à cela le prix des réservoirs a hydrogène (il faut à peu près 5 Kg de H2 pour couvrir 500 Km, et 150 Kg de réservoir à 700 bars). Comme on ne peut attendre que la PAC atteigne sa température de fonctionnement (70 C), il faut une bonne batterie pour démarrer..

Ce qui fait que l’on estime à 100000 Euros un véhicule proposé par Audi. C’est une assez grosse voiture de type ``germanique’’. Bien entendu, on nous annonce des réductions de prix, par innovations...qui arrivent peu. Il faudrait réduire les prix d’un facteur 10. On est très loin du compte.

Pour les rendements, la PAC dépasse difficilement 50%, et, compte tenu des autres pertes, le rendement réel de la conversion est de 40%. Evidemment, en ajoutant une batterie, on va récupérer l’énergie de freinage, voire de descente, mais c’est la batterie qui permet cela, pas l’hydrogène.

Excepté le problème du poids (on récupèrera à peu près 500 Wh/Kg de réservoir sur la propulsion avec l’hydrogène, alors que les batteries au Lithium ne dépassent guère 150 Wh/Kg), il semble que les batteries au Lithium soient plus prometteuses (voir ``promesses de la voiture électrique’’, sur ce site), surtout dans notre pays où les voitures sont plutôt moins puissantes.

Pour livrer rapidement de l’hydrogène à 700 bars, le mieux semble être d’avoir des stations stockant celui-ci vers 750 bars et de remplir le réservoir par une détente adiabatique.

L’hydrogène pour transporter l’énergie

La seule méthode raisonnable, c’est le gazoduc avec le gaz comprimé vers 200 bars. L’hydrogène est suffisamment différent du méthane pour qu’on ne puisse envisager d’utiliser le réseau existant pour son transport : il véhicule pour le même volume et la même pression un quart (29 %) de l’énergie. On trouve des suggestions ridicules : substituer progressivement l’hydrogène au méthane dans les gazoducs, en changeant peu à peu les concentrations. Evidemment, cela nécessiterait de changer continûment les brûleurs...à l’inverse de mon jeune temps : pour brûler du gaz à l’eau (H2+CO), il faut 4 fois moins d’air que pour brûler du CH4, et il faut multiplier la capacité des gazoducs (par 4 pour une simple substitution, par 10 dans la ``civilisation de l’hydrogène’’).

Il faut un autre réseau, et le premier problème est le prix. On trouve déjà sur le web des calculs économiques pour savoir si on doit transformer le gaz naturel (CH4) en électricité près du lieu de production ou près du lieu de consommation. Transporter le gaz en gazoduc coûte de l’argent, si bien que les compagnies parlent du ``prix frontière’’, et que les centrales au gaz prévues en France sont pensées au Nord-Est, à l’entrée du gaz (essentiellement Russe). Remarque : ces centrales sont aux oubliettes : avec le prix actuel du gaz naturel, aucun électricien ne serait assez fou pour faire des centrales au gaz : même les gens de Suez se reconvertissent au nucléaire ! On trouve des études qui montrent que sur longues distances, le plus économique est le transport de l’énergie sous forme de Haute tension CONTINUE. Il est alors évident que cela est encore plus vrai avec l’hydrogène, qui véhicule quatre fois moins d’énergie dans le même gazoduc. Ce ne sont pas que des calculs, il y a par exemple une ligne de 800 Km à 600 KV continu entre un barrage au Paraguay et les centres de consommation au Brésil, et on pense en faire une de 2400 Km de l’Amazonie à la région de Rio. Il semble donc que le transport d’énergie soit plus bien plus économique avec l’électricité qu’avec des gazoducs transportant de l’hydrogène.

Pour ce qui est du rendement, on peut penser que le gaz est sans concurrent : un pays perd entre 4 et 8 % dans les lignes électriques. Pour le gaz, on a besoin d’une recompression. Par exemple, les gazoducs fonctionnent sous forte pression (souvent autour de 70 bars), le gaz va à 20 Km/h, et on a besoin de le recomprimer tous les 150 km. Pour le recomprimer, on a des moteurs alimentés au gaz naturel. L’énergie nécessaire pour 150 km représente à peu près 0.3% de l’énergie véhiculée. Avec l’hydrogène, cela ferait 1.2%. Comme la compression a besoin d’énergie mécanique, elle est soumise aussi au problème du rendement de la transformation de l’énergie chimique de l’hydrogène en énergie mécanique : autour de 50% ! On peut affiner cette discussion, mais il faut se rendre compte qu’il est rédhibitoire de transporter de l’hydrogène sur 2500 Km en termes d’efficacité énergétique : on va perdre la moitié de l’énergie transportée. Les études de lignes HT continu tablent sur des pertes de 10-20 %.

Pour utiliser cet hydrogène pour les voitures, il faut le comprimer à 700 bars. Si on fait une compression adiabatique à partir de la pression ambiante, on a besoin d’à peu près 40 MJ/Kg de H2, pour 140 MJ/Kg d’énergie stockée. On diminue cela à 25-30 MJ/KG en faisant des compressions semi-isothermes ``multi-étages’’. C’est pour cela qu’il faut tenir de l’hydrogène comprimé vers 750 bars à la disposition des voitures : il faut éviter d’avoir à le comprimer brutalement (cad adiabatiquement) car cela consomme trop d’énergie. Cette compression est aussi mécanique et est aussi soumise au rendement de 50%.

Je ne parle pas du prix et du rendement de la liquéfaction : c’est terrifiant ! Je remarque ici que ce n’est pas parce qu’on sait faire tout cela que c’est utilisable : il ne suffit pas par exemple, comme cela se voit sur les sites des promoteurs de l’hydrogène, de dire qu’il existe déjà sur une région un réseau industriel de distribution du gaz hydrogène pour que cela soit extensible aux besoins ``grand public’’. De même, on sait évidemment liquéfier l’hydrogène...

Obtenir l’hydrogène

Il y a beaucoup de méthodes envisagées. Je regarde les plus accessibles, je discute plus tard les projets basés sur le solaire ou sur des réacteurs à haute température.

L’électrolyse de l’eau

C’est un moyen simple et assez peu coûteux. Les cellules d’électrolyse industrielles ont été améliorées pour diminuer la ``surtension hydrogène’’ et ont des rendements de l’ordre de 65-70 %. Evidemment, il faut prendre en compte dans ce procédé le rendement de fabrication de l’électricité qui varie de 34 % dans les centrales nucléaires à 55 % dans une centrale moderne au gaz (je ne suis pas sûr qu’il en ait déjà beaucoup en service..). Actuellement, pour des raisons de rendement (et de prix !), cette méthode est marginale.

Le reformage avec du fossile

La méthode la plus utilisée est la réaction qu’on peut résumer par :

Il semble qu’on récupère 70 % de l’énergie initiale. Pour l’avenir, cependant, il semble probable qu’un cycle de l’hydrogène peut valoriser le charbon par la réaction :

On récupère à peu près 60 % de l’énergie dans ce type de réaction. Bien entendu, ces deux réactions sont bien plus compliquées, il faut des catalyseurs, et en plus, il faut prévoir de récupérer et séquestrer le CO2, ce qui ajouterait 15 % de pertes. Un gros problème technique est que les PAC pour autos exigent un H2 complètement dépourvu de dérivés carbonés qui empoisonnent les catalyseurs (ie CO2, CO, CH4... à éliminer)

Les prix

Le prix de revient du MWh de l’hydrogène par électrolyse s’estime à partir du MWh électrique : 50 Euros/MWh. Pour le reformage, on trouve des estimations sur les sites US, qui datent un peu : le prix du gaz a triplé depuis 5 ans sur le marché Nord-Americain :
 17 US$ par MWh pour le gaz (doit être presque triplé maintenant)
 34 US$ par MWh pour le charbon
 53 US$ par MWh pour le pétrole (mais là aussi, grosse augmentation)

Donc, aujourd’hui, le charbon serait le plus rentable (peut-être pas en Europe : le gaz y semble moins cher pour l’instant). Reste bien sûr à séquestrer le CO2.

L’utilisation du charbon et de la séquestration du CO2 semble être un objectif des Américains. Ils ont des réserves énormes de charbon. On remarquera qu’ils peuvent aussi bien produire de l’électricité par cette méthode. Une information à ce propos est due à H. Nifenecker, dans le dernier numéro du bulletin de la Société Française de Physique.

L’hydrogène comme moyen de stocker l’énergie

Un gros problème de l’électricité est qu’on ne la stocke pas.

Cela rend intéressant d’utiliser l’hydrogène. Imaginons une éolienne quelque part dans la lande d’Allemagne du Nord. S’il y a du vent, on veut stocker l’énergie : on électrolyse l’eau (efficacité pour une petite unité : 50 %, on comprime l’hydrogène : consommation représentant 20 % de l’énergie stockée, puis, in fine, on réobtient de l’électricité avec 40 % d’efficacité. On a une source d’énergie décentralisée d’efficacité globale : 0.5*0.8*0.4=0.16, 16 %: une merveille ! Pour être vraiment décentralisé, notre propriétaire d’éolienne voudra aussi ajouter une turbine à gaz, pour si le vent vient à manquer : efficacité pour de petites unités : 30 % (les grosses turbines à gaz donnent des rendements de plus de 40 %) ! Portrait complet de la génération ``décentralisée’’ de l’énergie ! Cela aboutit à du gaspillage.

En fait, on sait en fait très bien stocker l’électricité : on monte l’eau dans les barrages : les chiffres pour 2003 en France, c’est 5.5 TWh d’énergie électrique pour monter de l’eau en période creuse pour 3.9 TWh d’énergie restituée en période pleine : rendement, donc : 71 %. Evidemment, notre producteur éolien du Schleswig-Holstein est loin des Alpes. Comme les transporteurs d’électricité ont dû à cause des pointes de production de l’Allemagne du Nord renforcer toutes les lignes \ a haute tension, on ne perdra pas trop à envoyer sa production dans les Alpes ou en Scandinavie pour y être stockée sous forme hydraulique. Si cette production est importante, on mettra des lignes à haute tension continues...

Les nouvelles méthodes proposées

Un projet utopique : le Sahara

Le solaire, combiné à l’hydrogène, un rêve...très sérieux de cabinets d’études en Allemagne. Je résume :
 On met des capteurs photovoltaïques dans le Sahara : rendement 10-15 %
 On électrolyse l’eau : rendement de l’ordre de 70 %, maximum
 On envoie l’hydrogène vers l’Europe industrielle : 2500-3000 Km de voyage, 50 % de pertes
 On reprend cet hydrogène pour le chauffage (efficacité 80 %) ou l’électricité dans des voitures (efficacité 40 %) Un tel système a l’avantage d’approcher le rendement maxi de la biomasse (inférieur au pour cent) !

Une production significative nécessaire est de 100 GW de puissance, cad 2.4 TW par jour. Avec des rendements aussi faibles pour la fourniture d’électricité (0.15*0.7*0.5*0.4=0.02, 2 % !), et en admettant que le Sahara reçoit une énergie solaire de 5 KWh/m2/jour, il faudrait un carré de 150 Km de côté de cellules solaires pour répondre aux besoins estimés ci-dessus.

Le prix de l’électricité solaire primaire serait actuellement de l’ordre de 150 Euros/ MWh au Sahara, mais avec les pertes dues au cycle hydrogène, cela est à multiplier par 5 : 750 Euros par MWh, vingt-cinq fois plus que le nucléaire ! C’est vrai, on pense pouvoir progresser dans les techniques photovoltaïques, mais ici, on est sûrs de ne pas en voir le début au 21ème siècle ! Et, de toutes façons, on préférera l’électricité pour transporter l’énergie ainsi générée.

Il est de plus assez piquant de voir que ces études proviennent des mêmes qui prônent les sources d’ énergies décentralisées. En se rabattant sur le Sahara, on obtient une forme futuriste de délocalisation ou/et de mondialisation. Ca renoue avec le passé : n’y trouve-t-on pas une part de notre gaz et de notre pétrole ?

Le cycle de l’iode, dit ``de Bunsen’’

La France s’est inscrite dans les collaborations internationales pour les générateurs nucléaires de génération IV en axant les recherches sur les réacteurs haute température avec l’hélium comme fluide caloporteur.

On espère élever le rendement thermique vers 50 %. Dans ce cas, il suffit d’aller vers 500-600 C. Bien entendu, il y a de gros problèmes de matériaux pour fonctionner avec de l’Hélium à cette température. Mais on envisage d’aller plus haut : 1000 C, ce qui est très problématique : On envisage d’électrolyser l’eau à ces temperatures pour diminuer l’input énergétique. Un gros travail est de plus consacré à la génération d’hydrogène par un cycle ``Iode-Soufre’’ dit de ``Bunsen’’, et cela nécessite de dépasser 950 C. Là aussi, on voit mal comment cela pourrait jamais être rentable. Il faut en particulier utiliser la dissociation de HI en I2 et H2 vers 400 C et 30 bars et celle de SO3 vers 900 C. Le rendement a peu de chances de dépasser 33%, et serait alors bien inférieur au rendement électrique d’une telle installation.

De plus, ce cycle n’est absolument pas ``surgénérateur’’, or un développement de l’énergie nucléaire se conçoit mal sans surgénération.

Pour conclure (provisoirement ?)

Bien entendu, des révolutions technologiques sont possibles, mais il semble qu’il en faille beaucoup pour qu’un jour le cycle de l’hydrogène puisse s’imposer, hors utilisations spécifiques, évidemment (spatial..).

L’hydrogène est inefficace dans tous les compartiments du jeu ! Pris ensemble, avec des techniques actuelles, on peut obtenir comme meilleur rendement à partir du gaz -sans séquestration-, un rendement de 0.7 (reformage)* 0.7 (transport et compression)* 0.4 (voiture)=0.20. Ce rendement est équivalent à celui des moteurs actuels en moyenne. Avec des batteries, on peut estimer : 0.55 (centrale à turbine à gaz)* 0.65 (résultat proposé à votre critique dans la contribution sur la voiture électrique)=0.35. Hors les batteries au Lithium atteignent des performances et des prix abordables. Elles sont à la base des voitures électriques annoncées (Bolloré, Dassault). Leur application à des voitures plutôt légères devrait surtout nous faire réfléchir à la course au poids et à la puissance dans laquelle elles semblent entraînées. En particulier, il est etonnant de voir que c’est dans l’Europe du Nord, réputée la plus écologique, que l’on trouve les plus grosses voitures.

Est-il substituable au gaz et au pétrole dans les applications ``domestiques’’ (chauffage...) ? J’en doute fort : il me parait plus raisonnable de développer les pompes à chaleur et le solaire domestique.

Dans les deux grands domaines contribuant aux relâchement de grandes quantités de gaz à effet de serre que sont l’habitat et les transports, il me semble qu’on doit plus attendre de l’électricité que de l’hydrogène. Il y a un domaine où il peut s’imposer un jour : l’aéronautique, oû sa capacité d’emport énergétique est excellente sous forme liquide (je passe sur les probl\mes), si on manque vraiment de carburant fossile.

Si donc il faut évidemment faire des recherches dans ce domaine, je ne comprends pas du tout que des scientifiques fassent une telle propagande sur ce qui ressemble beaucoup à un tuyau crevé. Déontologiquement, les besoins de trouver des crédits pour la recherche n’excusent pas une telle flagornerie. Nous avons le devoir d’informer honnêtement le public sur les choix futurs afin que nos sociétés puissent prendre des mesures efficaces contre l’effet de serre. Je trouve en particulier étonnant que l’hydrogène soit présenté comme une solution possible à l’effet de serre, ce qu’il ne peut être, car il n’est pas une source d’énergie primaire.

Il me parait douteux que l’hydrogène se substitue jamais à l’électricité Je trouve écologique de défendre le tout-électrique !.


Quelques sources

Le site de Anne-Sophie Corbeau : http://www.annso.freesurf.fr/

Je vous invite à examiner les sites de Ballard, société canadienne qui se spécialise dans les PAC :
 Dans le premier vous verrez une estimation optimiste (et fantaisiste) de l’évolution du prix des PAC : http://www.ballard.com/be_informed/fuel_cell_technology/roadmap
 puis on trouve le prix réel d’une PAC proposée : http://www.heliocentris.com/products/ballard.html On a un prix de 5900Euros pour une PAC de 1.2Kwatts !

Sur le site : http://www.pacificsites.net/dglaser... on trouve plein de papiers contradictoires. Lire Emory Lovins : ``Twenty hydrogen myths’’ (un anti-nucléaire devenu fanatiquement pro-hydrogène, comme beaucoup), et surtout la réponse de John Wilson : ``twenty myths challenged’’.

On trouve des études sur les méthodes de transport d’énergie sur de longues distances :

http://www.worldenergy.org/wec-geis...

Il y a un très bon site (Suisse) contenant une bonne discussion sur le cycle de l’hydrogène : www.efcf.com/reports/ C’est un site oû l’on trouve les meilleures estimations scientifiques des problèmes de l’hydrogène. Il faut lire en particulier : ``The future of hydrogen economy, bright or bleak ?’’ et, plus court : ``The hydrogen illusion’’

Ils concluent, assez justement, dans ``The physics of Hydrogen economy’’ :

``The analysis shows that a "Hydrogen Economy" for road transport would have a low power-plant-to-tank efficiency and hence a low environmental quality. In particular, if the electrical energy were generated in coal-fired power plants, the "mine-to-tank" efficiency might fall below 20%. Even if the hydrogen were used in fuel cells, the overall "mine-to-wheel" efficiency would become comparable to that of the steam engine era in the late part of the 19th century.’’

On peut trouver des tentatives de réponse à leurs objections de la part de promoteurs (LBST ?) de l’installation de cellules solaires dans le Sahara :

www.hyweb.de/News/LBST_Comments-on-...

Pour les projets français, consulter les transparents d’exposés :

http://www.gedeon.prd.fr/ATELIERS/2...en particulier les exposés introductifs : ``Les problématiques H2 et les programmes à l’international’’ ``le programme hydrogène et pile à combustible du CEA’’

Pour les projets US, il y a un excellent rapport de l’American Physical Society (APS), l’alter ego de la SFP, qui se résume ainsi :

Voir : http://www.eurekalert.org/pub_relea...

"The American Physical Society’s Panel on Public Affairs (POPA) has released a report that analyzes the Hydrogen Initiative. President Bush proposed the initiative in his 2003 State of the Union Address. The Hydrogen Initiative envisions the competitive use of hydrogen fuel and a hydrogen-fueled car by the year 2020. The POPA report concluded that major scientific breakthroughs are required for the Initiative to succeed. The most promising hydrogen-engine technologies require factors of 10 to 100 improvements in cost or performance in order to be competitive. Current production methods are four times more expensive than gasoline. And, no material exists to construct a hydrogen fuel tank that meets the consumer benchmarks. A new material must be discovered. These are very large performance gaps. Incremental improvements to existing technologies are not sufficient to close all the gaps. Significant scientific breakthroughs are needed. According to Peter Eisenberger, chairman of the committee that drafted the report, "Hydrogen storage is a potential show stopper". The panel made several recommendations to make success more likely. It also urged that Congress take particular steps to hedge against the possibility that the significant technology hurdles for the Initiative will not be met within the proposed 2020 timeline.’’

On trouve le rapport complet écrit de manière plus diplomatique par la très sérieuse APS sur le site :

http://www.aps.org/public_affairs/i...

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