Applications de l’hydrogène | Hydrogène

L’hydrogène est polyvalent et peut être utilisé de diverses manières. Ces multiples utilisations peuvent être regroupées en deux grandes catégories;

1. L’hydrogène comme matière première. Un rôle dont l’importance est reconnue depuis des décennies et qui continuera à croître et à évoluer.
2. L’hydrogène comme vecteur énergétique permettant la transition énergétique. L’utilisation de l’hydrogène dans ce contexte a déjà commencé et augmente progressivement. Dans les années à venir, ce domaine connaîtra une croissance spectaculaire. La polyvalence de l’hydrogène et ses multiples utilisations expliquent pourquoi l’hydrogène peut contribuer à décarboniser les économies existantes. Le rôle de l’hydrogène dans le processus de décarbonisation peut être résumé comme le montre le graphique ci-dessous :

Utilisations établies de longue date – L’hydrogène comme matière première (utilisations basées sur les matériaux)

De nos jours, l’hydrogène est utilisé dans plusieurs processus industriels. Parmi d’autres applications, il est important de souligner son utilisation comme matière première dans l’industrie chimique, et aussi comme agent réducteur dans l’industrie métallurgique. L’hydrogène est un élément fondamental pour la fabrication de l’ammoniac, et donc des engrais, et du méthanol, utilisé dans la fabrication de nombreux polymères. Les raffineries, où l’hydrogène est utilisé pour le traitement des produits pétroliers intermédiaires, constituent un autre domaine d’utilisation. Ainsi, environ 55 % de l’hydrogène produit dans le monde est utilisé pour la synthèse de l’ammoniac, 25 % dans les raffineries et environ 10 % pour la production de méthanol. Les autres applications dans le monde ne représentent qu’environ 10 % de la production mondiale d’hydrogène.

Ammonia – Fertilisants

Le composé hydrogène-azote le plus important est l’ammoniac (NH3), également appelé azane. Techniquement, l’ammoniac est obtenu à grande échelle par le procédé Haber-Bosch. Ce procédé combine directement par synthèse l’hydrogène et l’azote. Pour ce faire, il faut d’abord obtenir les matières premières que sont l’azote et l’hydrogène. Dans le cas de l’azote, cela se fait par séparation de l’air à basse température, tandis que l’hydrogène provient aujourd’hui du reformage à la vapeur du gaz naturel.

Près de 90 % de l’ammoniac est destiné à la production d’engrais. A cet effet, une grande partie de l’ammoniac est transformée en sels d’engrais solides ou, après oxydation catalytique, en acide nitrique (HNO3) et ses sels (nitrates). En raison de sa grande énergie d’évaporation, l’ammoniac est également utilisé dans les installations frigorifiques comme réfrigérant écologique et peu coûteux ; son nom technique est R-717.

Domaines industriels

L’hydrogène est utilisé dans diverses applications industrielles ; il s’agit notamment du travail des métaux (principalement dans l’alliage des métaux), de la production de verre plat (l’hydrogène est utilisé comme gaz d’inertage ou de protection), de l’industrie électronique (utilisé comme gaz protecteur et porteur, dans les processus de dépôt, pour le nettoyage, dans la gravure, dans les processus de réduction, etc.), et des applications dans la production d’électricité, par exemple pour le refroidissement des générateurs ou pour la prévention de la corrosion dans les pipelines des centrales électriques.

La réduction directe du minerai de fer – c’est-à-dire la séparation de l’oxygène du minerai de fer à l’aide d’hydrogène et de gaz de synthèse – pourrait se développer pour devenir un processus industriel important dans la fabrication de l’acier, car dans la méthode traditionnelle du haut fourneau, de grandes quantités de carbone sont libérées. Alors que la réduction directe avec du gaz naturel est maintenant bien établie dans la production d’acier (World Steel Association 2015), les méthodes de production correspondantes basées sur l’hydrogène n’existent jusqu’à présent qu’à l’échelle pilote.

Production de carburant

L’hydrogène est utilisé pour transformer le pétrole brut en carburants raffinés, tels que l’essence et le diesel, et également pour éliminer les contaminants, tels que le soufre, de ces carburants.

L’utilisation de l’hydrogène dans les raffineries a augmenté ces dernières années pour différentes raisons :
(i) les réglementations strictes qui exigent une faible teneur en soufre dans le diesel,
(ii) la consommation accrue de pétrole brut « lourd » de faible qualité, qui nécessite plus d’hydrogène pour être raffiné et
(iii) l’augmentation de la consommation de pétrole dans les économies en développement comme la Chine et l’Inde.

Approximativement 75% de l’hydrogène actuellement consommé dans le monde par les raffineries de pétrole est fourni par de grandes usines d’hydrogène qui génèrent de l’hydrogène à partir de gaz naturel ou d’autres combustibles hydrocarbonés

L’hydrogène est également une substance de base importante pour la production de méthanol (CH 3 OH). La production de méthanol (synthèse du méthanol) a lieu au moyen de l’hydrogénation catalytique du monoxyde de carbone.
Le méthanol peut être utilisé directement comme carburant dans les moteurs à combustion interne. Il est également utilisé dans les piles à combustible à méthanol direct ou, après reformage, dans les piles à combustible PEM. Des additifs pour carburants sont produits à partir du méthanol, et il est utilisé pour transestérifier les huiles végétales afin de former des esters méthyliques (biodiesel).

Commencer les utilisations – utilisations basées sur l’énergie

Dans le domaine de l’énergie, la plupart de l’hydrogène est utilisé à travers les piles à combustible (PC). Une pile à combustible est un dispositif électrochimique qui combine l’hydrogène et l’oxygène pour produire de l’électricité, avec de l’eau et de la chaleur comme sous-produits. Dans sa forme la plus simple, une pile à combustible unique se compose de deux électrodes – une anode et une cathode – avec un électrolyte entre elles. À l’anode, l’hydrogène réagit avec un catalyseur, créant un ion à charge positive et un électron à charge négative. Le proton passe ensuite dans l’électrolyte, tandis que l’électron se déplace dans un circuit, créant ainsi un courant. A la cathode, l’oxygène réagit avec l’ion et l’électron, formant de l’eau et de la chaleur utile.

L’hydrogène dans les transports

L’hydrogène carburant est considéré comme un bon candidat pour contribuer à la décarbonisation du secteur des transports routiers s’il est produit à partir de sources d’énergie renouvelables par le processus d’électrolyse. Dans ce cas, les principaux avantages des véhicules électriques à pile à combustible sont l’absence d’émission de CO 2 et de polluants (l’émission au tuyau d’échappement n’est que de l’eau), et l’efficacité supérieure des piles à combustible par rapport aux moteurs à combustion interne. Les voitures particulières et les bus urbains, parmi d’autres véhicules, comme les équipements de manutention, etc, sont de bons exemples de cette nouvelle technologie prête à être commercialisée en masse dans les années à venir.

Les options d’application de l’hydrogène en tant que carburant pour la mobilité peuvent être différenciées d’abord par la forme chimique ou la liaison de l’hydrogène et ensuite par le convertisseur d’énergie au moyen duquel l’énergie stockée dans l’hydrogène est rendue disponible.

• En cas d’utilisation directe, l’hydrogène moléculaire (pur) (H2) est utilisé par les moyens de transport directement, c’est-à-dire sans autre conversion, comme source d’énergie. Dans ce cas, l’hydrogène peut être utilisé à la fois dans les moteurs à combustion interne et dans les piles à combustible (systèmes de piles à combustible).
• Dans l’utilisation indirecte, l’hydrogène est utilisé pour produire des sources d’énergie finales ou est converti au moyen d’étapes de conversion supplémentaires en carburants contenant de l’hydrogène gazeux ou liquide. Ces combustibles PtG (Power-to-Gas) et PtL (Power-to-Liquids) peuvent alors à leur tour être utilisés dans des moteurs thermiques. L’utilisation dans des piles à combustible serait également possible (dans certains cas), à l’aide d’un reformeur, mais elle n’est pas économiquement viable.

Aviation

Dans l’aviation civile, les piles à combustible alimentées en hydrogène sont considérées comme des fournisseurs d’énergie potentiels pour les avions, comme elles le sont depuis quelque temps déjà pour les voyages spatiaux. Ainsi, les modules de piles à combustible peuvent fournir de l’électricité au système électrique de l’avion comme groupes électrogènes de secours ou comme groupe auxiliaire de puissance. Des concepts plus avancés incluent le démarrage du moteur principal et l’entraînement de la roue de nez pour les mouvements d’aérodrome par les avions commerciaux.

Applications maritimes

Comme dans l’aviation, les piles à combustible sont actuellement testées comme fournisseurs d’énergie pour l’alimentation de bord. En revanche, l’utilisation de piles à combustible fonctionnant à l’hydrogène pour la propulsion des navires n’en est encore qu’au stade de la conception ou des essais – avec des applications dans les petits navires à passagers, les ferries ou les bateaux de plaisance. La pile à combustible à basse et haute température (PEMFC) et la pile à combustible à oxyde solide (SOFC) sont considérées comme les types de piles à combustible les plus prometteurs pour les applications nautiques (EMSA 2017). Cependant, jusqu’à présent, aucune pile à combustible n’a été mise à l’échelle et utilisée sur de grands navires marchands.

Trains

Dans les locomotives électriques, la force motrice est fournie par des conducteurs de courant stationnaires (lignes aériennes, rails conducteurs) et des collecteurs de courant sur les véhicules. Cependant, pour des raisons techniques, économiques ou autres, toutes les lignes ferroviaires ne peuvent pas être électrifiées. En particulier sur les lignes dont le volume de transport est faible, l’investissement initial élevé nécessaire à l’électrification des lignes ne se justifie pas toujours. De plus, les lignes aériennes ne peuvent pas être utilisées pour les manœuvres si des grues sont également utilisées pour le transport des marchandises. Dans l’exploitation minière souterraine, en revanche, les véhicules de traction doivent fonctionner sans polluants atmosphériques.

Les véhicules ferroviaires qui utilisent l’hydrogène comme réservoir et source d’énergie peuvent offrir une alternative supplémentaire. Les véhicules ferroviaires alimentés par des piles à combustible combinent l’avantage d’un fonctionnement sans polluants avec celui de faibles coûts d’infrastructure, comparables à ceux d’un fonctionnement au diesel.

Véhicules de manutention

Les chariots industriels à pile à combustible, comme les chariots élévateurs à fourche ou les camions de remorquage (aéroports), sont particulièrement adaptés à un fonctionnement en intérieur, car ils ne produisent aucune émission polluante locale et seulement de faibles émissions sonores. Les véhicules à pile à combustible présentent des avantages par rapport aux chariots industriels à batterie en termes de ravitaillement. Au lieu de devoir remplacer la batterie, les camions peuvent être ravitaillés en deux ou trois minutes.

Ils prennent moins de place et sont moins chers à entretenir et à réparer. Les chariots industriels à pile à combustible permettent une utilisation ininterrompue et sont donc particulièrement adaptés à l’exploitation de flottes à plusieurs équipes dans le domaine de la manutention (FCTO 2014b). Dans le cas de flottes de chariots industriels plus importantes fonctionnant en plusieurs équipes, des réductions de coûts (modérées) peuvent être réalisées par rapport à la technologie des batteries, et la productivité dans la manutention peut également être augmentée.

Bus

En termes de transport routier, les bus du réseau de transport public constituent le domaine d’application le plus testé en profondeur pour l’hydrogène et les piles à combustible. Depuis le début des années 1990, plusieurs centaines d’autobus ont été et sont exploités à l’hydrogène dans le monde entier – principalement en Amérique du Nord, en Europe et de plus en plus aussi en Asie.

Bien que l’hydrogène ait été initialement encore utilisé dans les autobus équipés de moteurs à combustion interne, les développeurs d’autobus se concentrent maintenant presque entièrement sur les autobus électriques à pile à combustible (FCEB). L’utilisation de petites flottes de FCEB est encouragée dans les zones urbaines comme moyen de contribuer au développement technologique et à la politique d’assainissement de l’air.
Les autobus à pile à combustible ont maintenant atteint un haut niveau de maturité technique, bien qu’ils ne soient pas encore produits en série. En raison de leur faible nombre, ils sont jusqu’à présent encore beaucoup plus chers, à environ 1 million d’euros, que les autobus diesel standard, dont le coût est de l’ordre de 250 000 euros. Les coûts de maintenance ont également été considérablement réduits et les durées d’exploitation fiables ont augmenté (Hua et al. 2013).

Selon les chiffres de production annuels, les coûts de production des FCEB devraient toutefois continuer à baisser dans les projets futurs. Les coûts de production des autobus de 12 mètres devraient tomber à environ 450 000 (achat de 100 autobus) EUR d’ici 2020 et à environ 350 000 EUR d’ici 2030, les mettant à la portée des autobus hybrides diesel.

Les autobus modernes à pile à combustible tirent leur énergie de deux empilements de piles à combustible, chacun d’une puissance d’environ 100 kW. Ils disposent également d’une batterie de traction relativement petite et sont capables de récupérer l’énergie de freinage. En outre, ils transportent environ 30 à 50 kg d’hydrogène comprimé à bord, stocké dans des réservoirs sous pression à 350 bars. D’autre part, certains modèles de bus électriques à batterie ont de grandes batteries de traction et seulement de petits empilements de piles à combustible, qui sont utilisés comme prolongateurs d’autonomie.

Les bus à pile à combustible ont maintenant une autonomie de 300 à 450 km et offrent donc presque la même flexibilité que les bus diesel dans l’exploitation quotidienne. Alors que certains autobus municipaux plus anciens consomment encore bien plus de 20 kg d’hydrogène (au lieu de 40 litres de diesel) par 100 km, les autobus à pile à combustible plus récents n’en utilisent plus que 8 à 9 kg par 100 km, ce qui confère aux FCEB un avantage d’efficacité énergétique d’environ 40 % par rapport aux autobus diesel. Afin de développer le marché, des projets de démonstration avec de grandes flottes utilisées à long terme sont prévus. La flotte de FCEB en Europe devrait passer de 90 à entre 300 et 400 véhicules d’ici 2020.

Lisez plus sur les bus à pile à combustible ici.

Voitures particulières

Avec les véhicules électriques à batterie, les voitures particulières à pile à combustible alimentées en hydrogène sont la seule option de conduite alternative à zéro émission pour le transport privé motorisé. Les premières voitures particulières à pile à combustible ont été testées dans les années 1960 dans le cadre de projets de démonstration. Le développement des piles à combustible a pris un nouvel élan dans les années 1990. Dans la plupart des cas, les véhicules d’essai de piles à combustible étaient des voitures transformées, équipées à l’origine d’un moteur à combustion interne. À l’époque, toutefois, les premiers modèles d’essai n’étaient pas encore compétitifs, ni sur le plan technique ni sur le plan économique. En outre, jusqu’à il y a une dizaine d’années, des prototypes de moteurs à essence étaient encore testés avec de l’hydrogène comme énergie alternative et carburant à faibles émissions. Il s’agissait de véhicules équipés de moteurs bivalents modifiés, qui pouvaient fonctionner à la fois à l’essence et à l’hydrogène. Grâce à ce carburant, les moteurs à combustion interne fonctionnant à l’hydrogène atteignent non seulement des rendements un peu plus élevés qu’en fonctionnement à l’essence, mais ils émettent également des niveaux beaucoup plus faibles de polluants.

Bien que l’hydrogène soit un carburant propre avec d’excellentes propriétés physico-chimiques, il n’a pas réussi à s’imposer comme carburant pour le transport routier motorisé. Pour les voitures particulières, l’accent est maintenant presque entièrement mis sur les piles à combustible alimentées à l’hydrogène comme source d’énergie motrice.

On dispose maintenant d’une grande expérience pratique avec des prototypes de voitures particulières à pile à combustible. Un certain nombre de grands constructeurs automobiles commencent à proposer des véhicules de première série qui sont maintenant tout aussi performants que les voitures à moteur à combustion interne classiques en termes de fonctionnalité. Le nombre de voitures à pile à combustible fabriquées au cours des prochaines années devrait varier de quelques centaines à des milliers d’unités. Pratiquement toutes les voitures particulières à pile à combustible sont aujourd’hui équipées de piles à combustible PEM, dans des configurations en série et en parallèle. Les prix des véhicules de taille moyenne équipés de piles à combustible sont encore bien supérieurs à ceux des voitures particulières à moteur à combustion interne – autour de 60 000 EUR/USD. Avec le lancement de la production en série de FCEV, le coût et les prix des véhicules devraient baisser considérablement.

Les empilements de piles à combustible des derniers modèles de piles à combustible ont une puissance de 100 kW ou plus. Par rapport aux voitures électriques à batterie, elles ont une plus grande autonomie – de l’ordre de 400 à 500 kilomètres aujourd’hui – avec un poids de véhicule inférieur et des temps de ravitaillement beaucoup plus courts, de trois à cinq minutes. Elles transportent généralement 4 à 7 kg d’hydrogène à bord, stocké dans des réservoirs sous pression à 700 bars.

En savoir plus sur les stations de ravitaillement

Applications d’énergie stationnaire

Les piles à combustible stationnaires peuvent être utilisées pour une alimentation électrique décentralisée dans les zones hors réseau. Le marché des applications d’alimentation de secours (BUP) est de plus en plus important. Les applications de sauvegarde comprennent d’une part l’alimentation de secours et d’autre part l’alimentation sans interruption (ASI).

Les groupes électrogènes de secours sont utilisés pour maintenir le fonctionnement en cas de coupures de courant prolongées. Dans ce cas, la commutation de l’alimentation secteur est généralement (brièvement) interrompue.
Les alimentations sans coupure, en revanche, sont utilisées pour protéger des systèmes techniques très sensibles contre les fluctuations de l’alimentation secteur et les coupures de courte durée, de manière à assurer un fonctionnement continu. Les domaines d’utilisation comprennent notamment les systèmes de télécommunications et d’informatique, tels que les tours de radio ou les centres de traitement des données.

Par rapport aux centrales thermiques classiques, les piles à combustible ont des rendements électriques beaucoup plus élevés, jusqu’à 60 %, même pour les petites installations. Ceci est avantageux d’un point de vue énergétique, car on produit beaucoup d’électricité de haute valeur et peu de chaleur.

En fonctionnement continu, les sauvegardes des piles à combustible se caractérisent par les avantages suivants : un long fonctionnement autonome et une longue durée de vie, de faibles coûts de maintenance en raison de l’absence de pièces mobiles, et une production d’électricité silencieuse et sans émission (localement).

La capacité de sauvegarde des piles à combustible stationnaires varie de quelques kW à plus de 1 GWe. Les piles à combustible à faible puissance électrique sont souvent des piles à combustible portables, qui présentent des avantages en termes de poids par rapport aux batteries rechargeables et aux générateurs. Différents types de piles à combustible sont utilisés dans le secteur stationnaire, dans certains cas également pour le refroidissement. En plus de l’hydrogène, le méthanol, le gaz naturel et le gaz de pétrole liquéfié sont utilisés comme combustibles.

Énergie domestique

Si, en plus de l’électricité produite, la chaleur qui est produite est également utilisée, le processus est appelé chaleur et électricité combinées (CHP). Si de telles installations sont utilisées dans le secteur du chauffage domestique, elles sont également décrites comme des micro-centrales ou des mini-centrales en raison de leurs plus petites productions.

Les centrales de cogénération peuvent être exploitées selon deux stratégies : La centrale couvre soit la plus grande partie de la demande d’électricité, soit de la demande de chaleur. Si les prix de l’électricité sont élevés, un mode d’exploitation axé sur l’électricité est approprié. De cette façon, l’achat d’électricité au réseau peut être minimisé, ou l’électricité produite par la cogénération peut être injectée dans le réseau électrique et remboursée.

La chaleur produite comme sous-produit de la cogénération est utilisée pour couvrir une partie de la demande de chaleur des bâtiments. Le mode de fonctionnement essentiellement axé sur l’électricité se traduit par une faible production thermique des systèmes de chauffage à pile à combustible. Le reste des besoins en chaleur du bâtiment est couvert par un système de chauffage supplémentaire, par exemple une chaudière à condensation. C’est pourquoi les piles à combustible conviennent particulièrement bien aux bâtiments dont les besoins en chauffage sont faibles, comme les bâtiments à faible consommation d’énergie ou à consommation quasi nulle. Dans les bâtiments dont les besoins en chauffage des locaux sont plus élevés, on utilise des systèmes de chauffage hybrides à pile à combustible, comprenant une pile à combustible et une chaudière à condensation pour couvrir les besoins de chauffage de pointe.

Les piles à combustible stationnaires dans la gamme de puissance allant jusqu’à 10 kWe sont généralement des piles à combustible PEM ou SO. La gamme de sortie typique de la cogénération pour les maisons et les immeubles d’habitation est de 0,7 à 5 kWe. Si les systèmes de piles à combustible fonctionnent avec du gaz naturel comme combustible, une infrastructure de gaz naturel existante peut être utilisée. Toutefois, le combustible doit d’abord être reformé. Dans le cas des piles à combustible PEM, le reformage a lieu à l’extérieur. En raison des températures plus élevées, un reformage interne est possible dans les piles à combustible SO.

Le plus grand avantage des piles à combustible par rapport aux processus d’énergie thermique est probablement la conversion électrochimique directe pendant la production d’électricité et de chaleur et le rendement électrique plus élevé associé. En mode combiné, c’est-à-dire électrique et thermique, les piles à combustible peuvent atteindre des rendements allant jusqu’à 95 %. Le rendement électrique peut atteindre 45 %. En outre, les systèmes de piles à combustible se caractérisent par des rendements élevés sur tous les points de charge, ils sont silencieux, ont de faibles coûts de maintenance et fonctionnent (localement) sans émissions.