La production du dihydrogène

Etant donné que l’activité commerciale d’un produit sur le marché est étroitement liée au principe de l’offre et de la demande, nous essaierons brièvement de rappeler les secteurs d’activités qui constituent les niches de marché pour l’hydrogène.

1.4.1.1 Les différentes "niches de l’hydrogène"

La filière hydrogène comme vecteur énergétique suscite un intérêt majeur d’actualité et est étroitement liée à l’essor des piles à combustible de technologie PEM dont il est le carburant. De fait, toutes les niches de marché pour les piles PEM sont considérées comme des niches hydrogène. Nous ferons alors allusion aux batteries de courtes durée de vie (ordinateur portable, téléphone portable, caméscope,…) qui pourraient être alimentées grâce à l’hydrogène ou aux cartouches de méthanol enrichi en hydrogène. L’hydrogène

pourrait servir pour l’électrification domestique via la pile et pourrait également remplacer les chaudières des centrales thermiques [Wint 09]. Il serait aussi bon de rappeler outre toutes les applications stationnaires se rattachant à ce qui précède que l’hydrogène comme carburant propre pour les applications mobiles et particulièrement pour le transport a un intérêt majeur actuel et est un pôle d’attraction pour l’automobile afin de répondre au label "voiture propre". En plus des voitures abritant une pile à combustible, il y en a qui fonctionnent avec un moteur à combustion interne à hydrogène (MCIH)[Cana 11]. Nous indiquons également la possibilité d’utiliser la pile PEM comme unité de source auxiliaire pour les véhicules et les avions voire les applications spatiales comme il en a été pour le "programme Gemini" de la NASA, qui est le premier programme spatial abritant une pile PEM.

L’hydrogène est régulièrement utilisé pour la production de méthanol, de l’ammoniac et le raffinage de pétrole. La valorisation d’un baril de bitume en pétrole brute synthétique consomme 2,4kg d’hydrogène voire 4,3kg pour la synthèse de pétrole brute de grande qualité. Pour illustration, en 2004, en Alberta (Canada), le taux de production de bitume brut était de 700 milles barils par jour ; ce qui nécessite 1700t/j d’hydrogène (soit 790000Nm3/h) pour la valorisation en pétrole brut [Ryla 06].

Au vu de tous ces secteurs d’application pour l’hydrogène, l’économie hydrogène, nous pouvons le dire, a un avenir prometteur. Des voies et moyens de le produire sont l’objet d’intenses travaux de recherche.

1.4.1.2 Les différentes modes de production pour faire face à la demande

Le reformage de gaz naturel ;

Gaz de pétrole liquéfiés, Essence, …etc ;

Gazéification du charbon et de la biomasse ;

Electrolyse de l’eau par le nucléaire comme énergie primaire ;

Electrolyse de l’eau par l’énergie fossile comme énergie primaire ;

Electrolyse de l’eau par les énergies renouvelables comme énergie primaire ;

Le fractionnement photo catalytique de l'eau (principe photo électrochimique) ;

La thermolyse et les cycles thermochimiques.

Les voies de production de l’hydrogène par le fractionnement photo catalytique de l’eau, par thermolyse et par cycles thermochimiques ne sont pas encore des technologies matures parce que pour certaines tributaires de problèmes liés aux matériaux encore inefficients [Crai 08]. Les cycles thermochimiques sont en phase de développement et pourraient à court terme être exploitable pour une production grande échelle d’hydrogène. C’est du moins l’objectif du programme Canadien où la chaleur provenant de centrale nucléaire de type CANDU usera du cycle Chlore/Cuivre (Cu-Cl) en utilisant une eau surcritique [Ryla 06][Nate 10]. Le réacteur ACR 1000 vient de passer sa troisième phase d’examen de conception avant projet [AECL 11].

Jusqu’à un passé récent, afin de produire l’hydrogène en milieu industriel, la technologie couramment utilisée pour l’électrolyse de l’eau était constituée d’électrolyte aqueux (acide ou alcalin) [Mile01 07][Clar 10]. Compte tenu des problèmes de corrosion engendrés par les électrolytes acides, seule la technologie alcaline s’est développée sur le plan industriel et constitue encore aujourd’hui la principale voie de production électrolytique d’hydrogène et d’oxygène sur le procédé alcalin de type " zero gap cell ". Le développement de la technologie d’électrolyte à PEM a favorisé également l’émergence des électrolyseurs PEM. Contrairement à l’électrolyte aqueux acide ou alcalin, l’électrolyte à PEM est plus

apte à garder séparé l’hydrogène et l’oxygène produits ; de plus, la densité de courant est plus élevée pour l’électrolyte PEM (jusqu’à 1Acm-2) alors quelle n’atteint qu’environ 0.4Acm-2 [Mile01 07] pour l’électrolyte aqueux.

Par la voie de l’électrolyse de l’eau, la station de ravitaillement HyLYZER du village hydrogène de Toronto produit 65kg d’hydrogène par jour grâce à l’énergie éolienne pour à peu près 20 voitures [Rose 10], une production en quantité industrielle peut se faire grâce à l’énergie électrique d’origine nucléaire récupérée pendant les heures creuses [AECL 11]. Le réacteur nucléaire CANDU avancé (ACR-1000) de AECL (Énergie atomique du Canada Limitée) aura une capacité de production estimée à 232 000Nm3/h (électrolyse à eau liquide) ou 275 000Nm3/h (électrolyse à eau vaporisée) [Ryla 06][Nate 10].

Le Canada, les USA, l’Europe et le Japon explorent cette voie de production abondante. Depuis 2006 le CEA a entrepris un programme d'étude sur la faisabilité technologique et économique d'une production massive d'hydrogène par électrolyse de vapeur d'eau à haute température (EHT). La fourniture des énergies thermiques et électriques nécessaires sera assurée par un réacteur nucléaire [Cea01 08]. L’augmentation de la capacité de production pourrait favoriser l’augmentation des stations à hydrogène déjà en service en Californie, au Canada, en Allemagne, etc…

Quoiqu’il en soit, pour les applications stationnaires, et de surcroît isolées, le problème de la production et du stockage demeure. Le développement de la technologie PEM est prometteur pour une production pouvant satisfaire le besoin des sites isolés, en raison de son effet d’échelle lui permettant de s’ajuster à la puissance désirée, comme le confèrent les nombreux projets réalisés à cet effet. Il se pose alors le problème du stockage.