Chapitre I : Contexte et revue bibliographique
I.1. Généralités sur la photo-électrolyse de l’eau pour la production d’hydrogène
I.1.1. L’hydrogène : état des lieux, rendement et stockage
‘L’hydrogène fait partie des solutions clés pour la transition énergétique, tant dans le secteur du transport que dans l’apport en énergie destiné aux secteurs industriel et résidentiel. Cela nécessite l’élaboration de nouvelles stratégies à la hauteur de cet enjeu’, affirme Benoît POTIER, président-directeur général chez Air Liquide™ au cours du Conseil d’Hydrogène (Hydrogen Council) en novembre 2017. Ces mots placent au premier plan le rôle de l’hydrogène dans la lutte contre le réchauffement climatique ainsi que dans ce que les spécialistes du domaine appellent ‘transition énergétique’ du fossile au renouvelable dans divers secteurs de consommation.
Malgré l’abondance de son isotope 1H (99,98%), l’hydrogène existe sur Terre en majorité sous forme moléculaire étant donné qu’il forme directement des liaisons covalentes stables avec les
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éléments non-métalliques existants [23]. Ceci justifie l’intérêt porté en premier lieu à la production d’hydrogène durable, à bas coût et avec un impact environnemental réduit, en second lieu au rendement de chaque technique de production et enfin au stockage et au transport de ce gaz explosif très léger.
La Figure I. 1présente le diagramme de production et d’applications de l’hydrogène [24].
Figure I. 1 :Diagramme de la chaîne hydrogène : production et applications [24].
La partie supérieure du diagramme représente les procédés de production d’hydrogène. Nous remarquons sur cette partie que les énergies fossiles (pétrole, charbon, gaz naturel) contribuent bien à l’apport de ce gaz. En particulier, le vaporéformage du méthane (composant majeur du gaz naturel) est le procédé le plus courant pour la production d’hydrogène à partir d’énergies fossiles [25], [26]. Un rendement d’hydrogène de 65% à 80% est obtenu avec une pureté pouvant atteindre 95% à 98% après décarbonatation du mélange CO-H2 (issu du vaporéformage) à la soude concentrée, et même 99,99% par adsorption sélective à température ambiante de l’hydrogène sur des zéolites de type Al2O3-SiO2 [27].
Néanmoins, sur ce diagramme, la contribution des énergies renouvelables dans la production de H2 n’est pas négligeable. La place du renouvelable constitue, depuis plusieurs décennies, un avancement positif dans le domaine de la génération d’hydrogène de haute pureté, avec le minimum de (où même sans) sous-produits toxiques et à partir de ressources propres. Ainsi, le fractionnement thermique de l’eau à 2100 °C produit de l’hydrogène avec une efficacité de 50%, mais les premiers réacteurs industriels ne sont pas prévus avant 2040 [27]. Quant à la biomasse et
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la production biologique de l’hydrogène (enzymes et photosynthèse), les procédés sont étudiés, modélisés et mis en place, mais leur faisabilité économique n’est pas encore démontrée et leurs rendements restent encore limités à quelques pourcents [28], [29]. Considérant l’impact environnemental de la production d’hydrogène par le biais du nucléaire, une centrale nucléaire rejette continuellement et de manière contrôlée des effluents radioactifs et chimiques liquides et gazeux [30].
Dans les différents modes de production d’hydrogène évoqués, c’est souvent soit le mode d’alimentation soit les sous-produits soit les deux ensemble qui présentent des inconvénients pour l’environnement, la santé et l’économie, sans oublier les problèmes techniques de faisabilité, de pureté et de rendement. Sur ces différents aspects, l’électrolyse fait figure de candidat intéressant. En tant que méthode illustrée dans ce travail de thèse, elle sera présentée en détail dans le paragraphe (I.1.2).
Une fois l’hydrogène produit, il convient de le stocker et de le distribuer. La densité massique de l’hydrogène à l’état liquide (71 kg.m-3) est 777 fois supérieure à sa densité massique à l’état gazeux et à température ambiante (0,090 kg.m-3). C’est la raison pour laquelle l’hydrogène ne peut pas être stocké sans compression ou liquéfaction afin de réduire le volume et le poids du réservoir requis pour conserver une quantité suffisante à l’autonomie des systèmes alimentés par l’hydrogène. Les propriétés physiques de l’hydrogène sont listées dans le Tableau I. 1 [27].
Tableau I. 1 : Propriétés physiques de l'hydrogène [5].
Point d’ébullition -253 °C (20,3 K)
Point de liquéfaction -259 °C (14 K)
Densité à l’état liquide (20 K) 71 kg.m-3
Densité à l’état gazeux (20 K) 1,34 kg.m-3
Densité à l’état gazeux (273 K) 0,090 kg.m-3
Énergie de liquéfaction 14 MJ.Kg-1
Une autre alternative au stockage conventionnel de l’hydrogène comprimé ou liquéfié est le stockage à l’état solide soit par adsorption surfacique [31], [32] soit par absorption et diffusion des atomes d’H2 dans des matériaux solides [33]–[36].
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Figure I. 2 : Stockage de l'hydrogène à l'état solide par (a) adsorption sous forme moléculaire et (b)
absorption dans les solides [5, 15].
Dans le cas (a) relatif à l’usage de matériaux de type carbone, zéolithe ou organométallique, l’hydrogène reste à l’état moléculaire H2 et s’adsorbe en surface des solides par le biais de liaisons physiques faibles. Une surface spécifique importante est requise afin de pouvoir stocker le maximum d’hydrogène dans le moindre volume. Dans le cas de l’absorption dans des matériaux solides de type métal ou alliage (cas (b)), la capacité de stockage de l’H2 dépend fortement de la densité des sites interstitiels octaédriques et tétraédriques dans le métal ou l’alliage.
Concernant la distribution et le transport de l’hydrogène, la Figure I. 3 expose la répartition des stations d’hydrogène dans le monde (gris : installées, vert : en installation, jaune : planifiées) [38]. Les stations d’hydrogène existent remarquablement en Europe et en Amérique du Nord surtout sur le pourtour du Golfe du Mexique. La distribution de ce gaz est presque absente en Asie à l’exception de quelques stations installées ou en cours d’installation à l’est de ce continent. Selon l’Association Française pour l’Hydrogène et les Piles à Combustibles (AFHyPAC) [39], le transport mondial de l’hydrogène peut s’effectuer soit par canalisation, soit par voie ferroviaire ou routière, soit par bateaux.
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Figure I. 3 : Répartition des stations d'hydrogène dans le monde en (1) gris pour installées, (2) vert pour
en cours d'installation et (3) jaune pour en cours de planification [16].
Livré par les stations spécialisées, l’hydrogène sert de ‘combustible vert’ pour les Piles à Combustibles (PAC). Le mécanisme de fonctionnement de la PAC (illustré par Peter Wellemen sur la Figure I. 4
)
est l’inverse de celui de l’électrolyse de l’eau. L’hydrogène est consommé, en présence d’un comburant (l’oxygène), pour générer de l’énergie et de la vapeur d’eau comme sous-produit non nocif [40]–[42]. De ce point de vue, l’hydrogène est bien un combustible vert avec ‘zéro’ émission toxique (vapeur d’eau).Page 38 de 287
La photo-électrolyse de l’eau est une variante de l’électrolyse classique. Dans cette technique, l’hydrogène est produit dans des systèmes, appelés photo-électrolyseurs, fonctionnant sur le principe de la division de l’eau en oxygène et en hydrogène à la surface d’un matériau activé par la lumière [44], [45]. La Figure I. 5 schématise un cycle ‘Solar-to-Hydrogen’.
Figure I. 5 : Représentation schématique du cycle 'Solar-to-Hydrogen'.
Au cours de ce cycle, l’anode du photo-électrolyseur absorbe l’énergie du soleil ce qui provoque son activation. L’eau est alors dissociée avec génération d’oxygène à l’anode et de l’hydrogène à la cathode. L’hydrogène généré par le biais de l’énergie solaire alimente les piles à combustible dans les moteurs de voiture à hydrogène. Les produits de la réaction sont l’énergie et la vapeur d’eau. Le cycle ‘Solar-to-Hydrogen’ est ainsi bouclé. La transformation de l’énergie solaire en hydrogène n’est donc pas directe mais elle s’effectue par le biais de réactions électrochimiques (oxydation-réduction) se produisant à la surface des électrodes dans le photo-électrolyseur.