Dihydrogène - Définition et Explications

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Techniques de production

Production par électrolyse de l'eau

La production d'hydrogène par électrolyse de l'eau consiste à dissocier la molécule d'eau (H2O) en molécules d'hydrogène et d'oxygène, en faisant passer (Le genre Passer a été créé par le zoologiste français Mathurin Jacques Brisson (1723-1806) en 1760.) un courant électrique (Un courant électrique est un déplacement d'ensemble de porteurs de charge électrique, généralement des électrons, au sein d'un matériau conducteur. Ces...) dans l'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.).

Production par réaction chimique à partir d'eau

La production d'hydrogène (L'hydrogène est un élément chimique de symbole H et de numéro atomique 1.) peut également être obtenue par réaction chimique en mettant en contact de l'eau, de la soude et de l'aluminium (L'aluminium est un élément chimique, de symbole Al et de numéro atomique 13. C’est un élément important sur la Terre avec...). D'autres formules chimiques existent permettant d'extraire l'hydrogène de l'eau.

Production par reformage d'hydrocarbures

Ce procédé catalytique est utilisé dans l'industrie (essentiellement à partir de gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière...) naturel) et dans certains projets de pile à combustible (Une pile à combustible est une pile où la fabrication de l'électricité se fait grâce à l'oxydation sur une électrode d'un combustible réducteur (par exemple l'hydrogène) couplée à la...). Les résidus carbonés produits peuvent poser également des problèmes de pollution (La pollution est définie comme ce qui rend un milieu malsain. La définition varie selon le contexte, selon le milieu considéré et selon ce que l'on peut entendre...).

Le procédé est surtout basé sur la réaction de vaporeformage décrite ci-dessus. L'oxydation partielle, éventuellement couplée à la réaction de vaporeformage (dans ce cas, on parle de reformage autotherme), présente l'avantage d'être exothermique pour la plupart des hydrocarbures.

La production embarquée d'hydrogène par reformage d'hydrocarbures (véhicules pile à combustible (Un combustible est une matière qui, en présence d'oxygène et d'énergie, peut se combiner à l'oxygène (qui sert de comburant) dans une réaction chimique générant de la chaleur : la combustion.), par exemple) est particulièrement contraignante en termes d'encombrement, poids (Le poids est la force de pesanteur, d'origine gravitationnelle et inertielle, exercée par la Terre sur un corps massique en raison uniquement du...), coût, temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) de réponse, sensibilité au soufre (Le soufre est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de symbole S et de numéro atomique 16.) contenue dans les carburants, ... L'application doit présenter les mêmes caractéristiques en termes de sécurité, fiabilité (Un système est fiable lorsque la probabilité de remplir sa mission sur une durée donnée correspond à celle spécifiée...) et facilité d'utilisation que les véhicules à combustion (La combustion est une réaction chimique exothermique d'oxydoréduction. Lorsque la combustion est vive, elle se traduit par une flamme voire une explosion.) interne (En France, ce nom désigne un médecin, un pharmacien ou un chirurgien-dentiste, à la fois en activité et en formation à l'hôpital ou en cabinet pendant une...). Des technologies catalytiques, ou plus novatrices telles que les reformeurs plasma ( En physique, le plasma décrit un état de la matière constitué de particules chargées (d'ions et d'électrons). Le plasma quark-gluon est un plasma qui...), sont actuellement à l'étude.

Production par photosynthèse (La photosynthèse (grec φῶς phōs, lumière et σύνθεσις sýnthesis, composition) est le processus bioénergétique qui permet aux...) (cyanobactéries)

Certaines bactéries (Les bactéries (Bacteria) sont des organismes vivants unicellulaires procaryotes, caractérisées par une absence de noyau et d'organites. La plupart des bactéries...) peuvent décomposer chimiquement l'eau en oxygène (L’oxygène est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de symbole O et de numéro atomique 8.) et hydrogène à l'aide de réactions photosynthétiques. Ceci permettrait de produire de l'hydrogène à l'aide d'énergie solaire (L'énergie solaire est l'énergie que dispense le soleil par son rayonnement, directement ou de manière diffuse à travers l'atmosphère. Sur Terre,...). Des recherches sont en cours dans ce domaine, notamment en termes de génie génétique (Le génie génétique (ou ingénierie génétique) est un ensemble de techniques, faisant partie de la biologie moléculaire et ayant pour objet l’utilisation des...).

L'hydrogène comme vecteur d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.)

L'hydrogène est régulièrement cité (La cité (latin civitas) est un mot désignant, dans l’Antiquité avant la création des États, un groupe d’hommes...) comme vecteur énergétique (Tout ce qui est capable de véhiculer de l’énergie peut être considéré comme un vecteur énergétique.) d'avenir. Il est important de préciser qu'il ne s'agit pas d'une source primaire d'énergie mais seulement d'un mode de stockage, un peu comme une batterie. L'impact écologique de son utilisation dépend donc complètement (Le complètement ou complètement automatique, ou encore par anglicisme complétion ou autocomplétion, est une fonctionnalité informatique permettant à l'utilisateur de limiter la quantité d'informations qu'il saisit...) de son mode de production, qui est nécessairement consommateur de matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide,...) première et d'énergie, et générateur de pollution et de gaz à effet de serre (L'effet de serre est un processus naturel qui, pour une absorption donnée d'énergie électromagnétique, provenant du Soleil (dans le cas des corps du système solaire) ou d'autres étoiles...).

Actuellement seulement 1 % de la production d’hydrogène est utilisée comme vecteur énergétique, uniquement dans le cadre des applications spatiales.

L'hydrogène pourrait être utilisé comme vecteur énergétique avec des applications telles que la pile à combustible ou le moteur à hydrogène (Le moteur à hydrogène est un moteur à combustion interne utilisant l'hydrogène comme carburant.). Il est souvent cité comme alternative aux moteurs à combustion interne "traditionnels", en raison notamment de son caractère "propre", son utilisation ne rejetant théoriquement que de la vapeur () d'eau.

Claude Mandil, directeur exécutif de l'Agence internationale de l'énergie, estime ainsi que l'hydrogène devra « jouer un rôle crucial » dans l'économie mondiale. De nombreuses expériences ont été menées dans le domaine des véhicules propres. Chrysler-BMW possède une flotte de voitures (Une automobile, ou voiture, est un véhicule terrestre se propulsant lui-même à l'aide d'un moteur. Ce véhicule est conçu pour le transport terrestre...) (moteurs thermiques) roulant à l'hydrogène H, sans pile à combustible, avec réservoir cryogénique. Plusieurs pays (Pays vient du latin pagus qui désignait une subdivision territoriale et tribale d'étendue restreinte (de l'ordre de quelques centaines de km²), subdivision de la civitas gallo-romaine. Comme la...) européens subventionnent des programmes d'utilisation d'hydrogène dans les transports en commun.

Cependant ces applications se heurtent à plusieurs difficultés :

  • Production : le dihydrogène (Le dihydrogène est la forme moléculaire de l'élément hydrogène, qui existe à l'état gazeux aux conditions normales de pression et de température. Les molécules comportent deux atomes...) n'existe qu'en très faible quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire, vecteur, nombre d’objets ou d’une autre manière de dénommer la valeur d’une collection ou un groupe de choses.) sur Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par masse croissantes. C'est la plus grande et la plus massive des quatre planètes...) (voir plus haut). Pour cette raison, il est nécessaire de le produire, à partir d'eau (par électrolyse) ou de chaînes hydrogénées telles que les alcools, le gaz naturel (Le gaz naturel est un combustible fossile, il s'agit d'un mélange d'hydrocarbures présent naturellement dans des roches poreuses sous forme gazeuse.) ou les carburants commerciaux (par reformage). Ces procédés sont développés dans l'article production d'hydrogène.
  • Volume (Le volume, en sciences physiques ou mathématiques, est une grandeur qui mesure l'extension d'un objet ou d'une partie de l'espace.) de stockage : le dihydrogène est le carburant (Un carburant est un combustible qui alimente un moteur thermique. Celui-ci transforme l'énergie chimique du carburant en énergie mécanique.) dont l'énergie massique de combustion est la plus importante (120 MJ/kg), mais comme l'atome (Un atome (grec ancien ἄτομος [atomos], « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement avec une autre. La...) d'hydrogène est également l'élément le plus léger, son énergie volumique de combustion est relativement faible. Pour cette raison, il est nécessaire de disposer d'un volume conséquent pour alimenter par exemple un moteur (Un moteur est un dispositif transformant une énergie non-mécanique (éolienne, chimique, électrique, thermique par exemple) en une énergie mécanique ou travail.[réf. nécessaire]) à hydrogène. Ce problème est particulièrement important dans le cas d'un véhicule (Un véhicule est un engin mobile, qui permet de déplacer des personnes ou des charges d'un point à un autre.), où l'espace disponible est limité. Pour limiter le volume du réservoir, il est nécessaire de comprimer fortement le dihydrogène, cette compression est elle aussi consommatrice d'énergie.
  • Distribution : pour envisager l'utilisation à grande échelle (La grande échelle, aussi appelée échelle aérienne ou auto échelle, est un véhicule utilisé par les sapeurs-pompiers,...) de véhicules équipés de moteur (Un moteur (du latin mōtor : « celui qui remue ») est un dispositif qui déplace de la matière en apportant de la puissance. Il effectue ce travail...) à hydrogène il sera nécessaire de mettre en place un réseau de distribution (Le mot réseau (du latin retis) est apparu pour la première fois dans la langue française sous la forme "resel", au XII ème siècle. Employé dans un premier temps, dans le domaine textile, de la biologie, du...) d'hydrogène au moins aussi dense que celui existant actuellement pour les carburants "classiques" (stations service). Cependant, il est possible d'utiliser les infrastructures existantes pour les combustibles fossiles :il ne s'agit donc pas d'un effort comparable au développement des filières de distribution du pétrole (Le pétrole est une roche liquide carbonée, ou huile minérale. L'exploitation de cette énergie fossile est l’un des piliers de l’économie...), qui a demandé plusieurs dizaines d'années. Le coût du déploiement d'un système complet de distribution pourrait demander de 10 à 15 milliards de dollars pour les seuls États-Unis, ce qui ne représente que 0,1 % du PIB des États-Unis.
  • Rejets : le mythe d'un moteur ne rejetant que de l'eau est très attractif mais malheureusement erroné car trop simpliste. Pour ne rejeter que de l'eau, il faudrait que la combustion se fasse à l'oxygène et non à l'air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et incolore. Du fait de la diminution de la pression de l'air avec l'altitude, il est nécessaire de pressuriser les cabines des avions et autres...) qui contient près de 80 % d'azote (L'azote est un élément chimique de la famille des pnictogènes, de symbole N et de numéro atomique 7. Dans le langage courant, l'azote désigne le gaz diatomique diazote...). Une combustion à l'air produit des oxydes d'azote.
  • Coût des piles à combustible : elles sont dotées de mousse de platine (Le platine est un élément chimique de symbole Pt et de numéro atomique 78.), très onéreuse. D'autre part, la sécurité de ces piles sur une longue durée n'est pas assurée.

De nouveaux procédés apportent des éléments de réponse. Ainsi la technique de captation et de séquestration du carbone (Le carbone est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole C, de numéro atomique 6 et de masse atomique 12,0107.) permettrait de compenser l'émission de gaz à effet de serre (Une serre est une structure généralement close destinée à la production agricole. Elle vise à soustraire aux...) lors de la production d'hydrogène, mais à un coût important : si la fabrication d'hydrogène (transport non compris) est évaluée à 120 USD le baril en utilisant du gaz naturel, il faut compter le double si on choisit le charbon et une technique de captation/séquestration. Une autre solution serait d'utiliser les réacteurs nucléaires spécifiques de génération IV, à très haute température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée aux sensations de froid et de chaud,...) grâce à l'utilisation d'hélium (L'hélium est un gaz noble ou gaz rare, pratiquement inerte. De numéro atomique 2, il ouvre la série des gaz nobles dans le tableau périodique des éléments. Son...) comme fluide (Un fluide est un milieu matériel parfaitement déformable. On regroupe sous cette appellation les gaz qui sont l'exemple des fluides compressibles, et les liquides, qui sont des fluides peu compressibles. Dans certaines...) caloporteur, capables de produire de l'hydrogène à partir de l'eau. Ces réacteurs ne seront disponibles qu'à partir de 2030 ou 2040 et le coût de leur futur démantèlement n'est pas encore précisément connu. À partir de là, puiser dans l'électricité (L’électricité est un phénomène physique dû aux différentes charges électriques de la matière, se manifestant par une énergie. L'électricité désigne...) standardisée et disponible partout se révèle une solution plus simple et plus efficace, qui ne demande qu'un faible investissement, mais non écologique.

L'utilisation d'hydrogène constitue donc un espoir considérable pour le stockage et le transport (Le transport, du latin trans, au-delà, et portare, porter, est le fait de porter quelque chose, ou quelqu'un, d'un lieu à un autre.) de l'énergie, mais reporte la difficulté sur d'autres formes d'énergie. Cette technologie (Le mot technologie possède deux acceptions de fait :) ne sera donc pas utilisable à grande échelle avant plusieurs dizaines d'années.

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