Fernando Alcoforado*
Cet article vise à présenter comment l’hydrogène peut être utilisé comme l’une des sources d’énergie du futur et collaborer à l’élimination ou à la réduction des émissions de gaz à effet de serre, contribuant ainsi efficacement à la lutte contre le changement climatique mondial, qui tend à être catastrophique. L’Agence internationale de l’énergie (AIE) assurait dans un rapport daté de 2019 que l’hydrogène était une énergie d’avenir. L’hydrogène apparaît comme une véritable alternative car il n’émet pas de CO2 lorsqu’il est associé à une pile à combustible. Il est important de noter que l’hydrogène est également une source d’énergie renouvelable découverte il y a plusieurs siècles. Pourquoi l’hydrogène devient-il aujourd’hui une alternative pertinente et possible ? Pour répondre à cette question, ont été analysés les articles L’hydrogène, énergie du futur ?, disponible sur le site <https://www.sirenergies.com/article/hydrogene-energie-du-futur/> et Saiba como o hidrogênio se transforma em combustível (Découvrez comment l’hydrogène se transforme en carburant), disponible sur le site <https://www.alemdaenergia.engie.com.br/saiba-como-o-hidrogenio-se-transforma-em-combustivel/>.
L’article L’hydrogène, énergie du futur ? montre les raisons pour lesquelles l’hydrogène est une source d’énergie importante de l’avenir, qui sont présentées dans les paragraphes suivants:
Lorsqu’on parle d’alternatives aux énergies fossiles, on retrouve souvent l’hydrogène, un élément chimique qui constitue environ 75 % de l’Univers. Située principalement dans les étoiles et les planètes géantes, elle constitue une source d’énergie considérable. Les premières expériences liées à l’hydrogène ont été observées au début du XIXème siècle, notamment avec l’électrolyse de l’eau et plus tard avec le développement des piles à combustible. Il est tout de même intéressant de constater que ce carburant n’a refait surface que récemment. En fait, c’est grâce à la politique de transition énergétique en cours dans plusieurs pays du monde que cette source d’énergie est devenue considérée comme une alternative au remplacement des énergies fossiles. D’un point de vue moléculaire, le H20 est présent sur toute notre planète. Pour rappel, l’eau est constituée d’un atome d’oxygène et de deux atomes d’hydrogène (H2O). Il est exceptionnel de constater que H2O représente près de 90 % des atomes (en nombre) présents sur notre planète. Près de 10 % de la masse du corps humain est constituée d’hydrogène.
Il faut savoir que l’hydrogène n’est pas une énergie, mais un vecteur énergétique. Autrement dit, il permet le transport ou le stockage de l’énergie primaire préalablement produite. Le pouvoir énergétique de l’hydrogène est également très important. Une molécule d’hydrogène libère environ trois fois plus d’énergie que son équivalent essence. Associée à une pile à combustible, cette énergie n’émet pas de CO2. L’eau est le seul déchet présent dans une pile à combustible. L’hydrogène est un vecteur qui n’est pas présent à l’état pur dans la nature. Il faut donc mobiliser l’énergie pour l’extraire, la transporter et la transformer. C’est certes beaucoup moins polluant que d’autres alternatives, mais non sans émissions de CO2. L’urgence climatique favorise l’émergence des énergies renouvelables (solaire, éolien et biomasse). Par définition, ces moyens de production sont intermittents. Ils ne produisent que lorsque les conditions le permettent. Il existe un procédé impliquant l’hydrogène qui permet de pallier ce problème :
• 1ère étape : grâce au processus d’électrolyse, il est possible de créer de l’hydrogène à partir de l’eau. En fait, l’eau est composée de molécules d’hydrogène et d’oxygène (H2O). Grâce à un courant électrique, il est possible de séparer ces molécules et ainsi de stocker de l’hydrogène.
• 2ème étape : Une fois le gaz stocké, les usages sont multiples. Dans le cadre du stockage, il est possible de produire de l’électricité à partir d’hydrogène grâce à une pile à combustible.
L’article L’hydrogène, énergie du futur ? montre les raisons pour lesquelles l’hydrogène est une source d’énergie importante pour le futur, présentées dans les paragraphes suivants :
Lorsqu’on parle d’alternatives aux énergies fossiles, on retrouve souvent l’hydrogène, un élément chimique qui constitue environ 75 % de l’Univers. Située principalement dans les étoiles et les planètes géantes, elle constitue une source d’énergie considérable. Les premières expériences liées à l’hydrogène ont été observées au début du XIXème siècle, notamment avec l’électrolyse de l’eau et plus tard avec le développement des piles à combustible. Il est tout de même intéressant de constater que ce carburant n’a refait surface que récemment. En fait, c’est grâce à la politique de transition énergétique en cours dans plusieurs pays du monde que cette source d’énergie est devenue considérée comme une alternative au remplacement des énergies fossiles. D’un point de vue moléculaire, le H20 est présent sur toute notre planète. Pour rappel, l’eau est constituée d’un atome d’oxygène et de deux atomes d’hydrogène (H2O). Il est exceptionnel de constater que H2O représente près de 90 % des atomes (en nombre) présents sur notre planète. Près de 10 % de la masse du corps humain est constituée d’hydrogène.
Il faut savoir que l’hydrogène n’est pas une énergie, mais un vecteur énergétique. Autrement dit, il permet le transport ou le stockage de l’énergie primaire préalablement produite. Le pouvoir énergétique de l’hydrogène est également très important. Une molécule d’hydrogène libère environ trois fois plus d’énergie que son équivalent essence. Associée à une pile à combustible, cette énergie n’émet pas de CO2. L’eau est le seul déchet présent dans une pile à combustible. L’hydrogène est un vecteur qui n’est pas présent à l’état pur dans la nature. Il faut donc mobiliser l’énergie pour l’extraire, la transporter et la transformer. C’est certes beaucoup moins polluant que d’autres alternatives. L’urgence climatique favorise l’émergence des énergies renouvelables. Par définition, ces moyens de production sont intermittents. Ils ne produisent que lorsque les conditions le permettent. Il existe un procédé impliquant l’hydrogène qui permet de pallier ce problème :
• 1ère étape : grâce au processus d’électrolyse, il est possible de créer de l’hydrogène à partir de l’eau. En fait, l’eau est composée de molécules d’hydrogène et d’oxygène (H2O). Grâce à un courant électrique, il est possible de séparer ces molécules et ainsi de stocker de l’hydrogène.
• 2ème étape : Une fois le gaz stocké, les usages sont multiples. Dans le cadre du stockage, il est possible de produire de l’électricité à partir d’hydrogène grâce à une pile à combustible.
L’un des enjeux climatiques les plus importants est celui du secteur des transports. En fait, aujourd’hui, la plupart des transports fonctionnent aux combustibles fossiles. Le secteur des transports représente environ 33 % des émissions de gaz à effet de serre au Brésil, 30 % en France et 20 % dans le monde. Transporter des marchandises et des personnes consomme beaucoup d’énergie. L’une des solutions envisagées pour décarboner ce secteur est donc l’hydrogène. On peut imaginer des véhicules fonctionnant à l’hydrogène. La combustion de ce gaz ne produit que de l’eau, cette propriété en fait un candidat sérieux comme carburant du futur. Les moteurs des véhicules seraient alimentés à l’hydrogène. Il existe la possibilité d’installer une pile à combustible pour équiper les véhicules. De nombreux constructeurs s’intéressent à la possibilité d’installer une batterie qui alimente la voiture en électricité. Dans ce scénario, l’hydrogène résout le problème de l’autonomie des véhicules électriques. Le rendement de l’hydrogène dans une pile à combustible est de près de 50 % (ce qui est exceptionnel). D’un point de vue technique, c’est l’opposé de l’électrolyse. C’est un mélange d’air et d’hydrogène. À l’intérieur de la batterie, l’énergie hydrogène est ensuite convertie en énergie électrique. Les applications de l’hydrogène sont nombreuses, comme la décarbonation de l’industrie, le stockage d’électricité, le transport routier, maritime ou aérien, entre autres.
Figure 1- Pile à combustible (batterie à hydrogène)
Source : https://www.sirenergies.com/article/hydrogene-energie-du-futur/
Il existe plusieurs façons de produire de l’hydrogène. Certains d’entre eux consomment des énergies fossiles. Même si l’utilisation future de l’hydrogène ne libère que de l’eau, la production initiale pourrait s’avérer problématique. Aujourd’hui, l’essentiel de la production initiale d’électricité ou d’hydrogène (selon le procédé choisi) est d’origine fossile. La transition énergétique doit nous permettre de réduire nos émissions de CO2, c’est pourquoi nous devons privilégier une source d’énergie renouvelable (hydraulique, solaire, éolienne et biomasse). C’est pourquoi on distingue plusieurs « types » d’hydrogène : 1) l’hydrogène vert qui est fabriqué par électrolyse, avec une production initiale d’électricité à partir de sources renouvelables ; et 2) l’hydrogène gris produit par des processus chimiques impliquant des combustibles fossiles. L’hydrogène vert présente le plus grand intérêt car c’est le carburant qui aide nos sociétés à se décarboner face à l’urgence climatique.
Le développement de la filière hydrogène nécessite des investissements lourds sur toute la chaîne de production, que ce soit au niveau de la production, du transport ou encore du stockage.
Figure 2- Production, conversion, stockage et utilisations de l’hydrogène (H2)
Source : https://www.sirenergies.com/article/hydrogene-energie-du-futur/
Il faut absolument réduire les coûts des piles à combustible ou encore des électrolyseurs. C’est la condition sine qua non pour l’émergence à grande échelle de cette technologie. On estime qu’environ 20 milliards d’euros d’investissements seront nécessaires par an pour atteindre une taille critique dans 10 ans. Ce montant peut paraître élevé, mais il est actuellement plus de 30 fois inférieur aux fonds alloués aux investissements pétroliers. Pour permettre à l’hydrogène de remplir adéquatement son rôle, il faudrait donc augmenter la part de l’électricité décarbonée dans le mix énergétique mondial.
L’article Saiba como o hidrogênio se transforma em combustível (Découvrez comment l’hydrogène se transforme en carburant) montre les raisons pour lesquelles l’hydrogène est une source d’énergie importante pour l’avenir qui sont présentées dans les paragraphes suivants :
L’hydrogène en tant que carburant est considéré comme un élément important d’un avenir neutre en carbone. Mais sa transformation du gaz en carburant nécessite une grande quantité d’énergie. Il est donc important de prêter attention à la source de cette énergie afin que le produit final soit ce qu’on appelle l’hydrogène vert. L’élément le plus abondant dans l’Univers, l’un des moyens de le produire passe par un processus thermique. Dans ce cas, la vapeur réagit généralement avec un carburant de type hydrocarbure, produisant de l’hydrogène. Plusieurs carburants peuvent être utilisés, allant du diesel au gaz naturel en passant par le biogaz, par exemple. Dans ce type de génération, il y a des émissions de carbone. Mais il est également possible de le produire par électrolyse. Dans ce cas, deux électrodes (une sorte de barre métallique) connectées à une source d’alimentation sont insérées dans un récipient contenant de l’eau. Les barres ont des polarités différentes et l’énergie qui les traverse sépare l’hydrogène présent dans l’eau. Ce procédé nécessite beaucoup d’énergie, car son efficacité énergétique est d’environ 80 %. Cela signifie que pour produire 80 kilowatts/kilo, il faudrait 100 kWh d’électricité. Dans ce type de production, il est possible que les émissions de carbone soient nulles. Toutefois, cela dépend de la source d’électricité utilisée.
Pour alimenter les moteurs, l’hydrogène doit passer par une pile à combustible. Dans la pile à combustible, le processus est à l’opposé de ce qui se passe dans l’électrolyse qui produit de l’hydrogène. Tout comme en électrolyse, il y a deux électrodes, une positive et une négative. L’électrode négative est alimentée par de l’hydrogène, tandis que l’électrode positive reçoit de l’air. Dans le négatif, une substance sépare les molécules d’hydrogène en protons et en électrons. Pendant que les électrons quittent l’électrode et génèrent un flux d’électricité, les protons se déplacent vers l’électrode avec l’air. Là, ces protons se mélangent à l’oxygène et, dans le sens inverse de l’électrolyse, génèrent de l’eau et de la chaleur. C’est ainsi que ce type de carburant génère de l’énergie sans combustion et en produisant uniquement de la vapeur d’eau. Les piles à combustible peuvent avoir diverses utilisations, du transport à un système d’alimentation électrique de secours. Ses utilisations incluent l’alimentation en énergie de bâtiments et même d’un sous-marin.
L’hydrogène en tant que carburant peut être de différentes « couleurs ». Ceux-ci le classent en fonction de la source d’énergie utilisée pour produire le carburant hydrogène. Il existe de l’hydrogène gris, produit à partir de combustibles fossiles. Lorsque cette production provient du gaz naturel et qu’il y a captage et stockage du carbone, nous avons de l’hydrogène bleu. L’hydrogène vert est celui obtenu par électrolyse. Cependant, l’énergie initiale nécessaire à la réalisation de ce processus doit provenir de sources renouvelables (hydroélectricité, énergie solaire, éolienne et biomasse) pour que le carburant entre dans cette catégorie. Ainsi, sa production s’effectue sans émissions de carbone. C’est pourquoi les experts considèrent ce type de carburant comme la clé d’un monde neutre en carbone. Bien que l’utilisation la plus connue de l’hydrogène soit probablement celle des véhicules automobiles, il existe de nombreuses autres utilisations possibles. Les piles à combustible peuvent servir d’unités fixes de production d’électricité pour les bâtiments. Dans certains cas, ils peuvent également fournir de la chaleur. Les piles à combustible sont considérées comme des sources d’énergie potentielles pour les avions. Il est possible, par exemple, de les utiliser comme système de générateur de secours. De plus, ils peuvent servir de groupe motopropulseur auxiliaire pour l’avion dans son ensemble. L’hydrogène peut fournir l’énergie nécessaire à la propulsion du navire. Mais cette utilisation en est encore aux premiers stades de test et de développement. Cependant, son utilisation comme source d’énergie embarquée est déjà plus avancée. Il existe un projet norvégien qui vise à créer un bateau de croisière propulsé à l’hydrogène. Il est également possible d’utiliser l’hydrogène pour alimenter des véhicules de service tels que des chariots élévateurs et des camions, ainsi que des bus et des trains.
De ce qui précède, est démontrée la viabilité de l’hydrogène en tant que source d’énergie capable de remplacer les combustibles fossiles et de contribuer à la lutte contre le changement climatique en réduisant les émissions de gaz à effet de serre.
* Fernando Alcoforado, 83, a reçoit la Médaille du Mérite en Ingénierie du Système CONFEA / CREA, membre de l’Académie de l’Education de Bahia, de la SBPC – Société Brésilienne pour le Progrès des Sciences et l’IPB – Institut Polytechnique de Bahia, ingénieur de l’École Polytechnique UFBA et docteur en Planification du Territoire et Développement Régional de l’Université de Barcelone, professeur d’Université (Ingénierie, Économie et Administration) et consultant dans les domaines de la planification stratégique, de la planification d’entreprise, planification du territoire et urbanisme, systèmes énergétiques, a été Conseiller du Vice-Président Ingénierie et Technologie chez LIGHT S.A. Entreprise de distribution d’énergie électrique de Rio de Janeiro, coordinatrice de la planification stratégique du CEPED – Centre de recherche et de développement de Bahia, sous-secrétaire à l’énergie de l’État de Bahia, secrétaire à la planification de Salvador, il est l’auteur de ouvrages Globalização (Editora Nobel, São Paulo, 1997), De Collor a FHC- O Brasil e a Nova (Des)ordem Mundial (Editora Nobel, São Paulo, 1998), Um Projeto para o Brasil (Editora Nobel, São Paulo, 2000), Os condicionantes do desenvolvimento do Estado da Bahia (Tese de doutorado. Universidade de Barcelona,http://www.tesisenred.net/handle/10803/1944, 2003), Globalização e Desenvolvimento (Editora Nobel, São Paulo, 2006), Bahia- Desenvolvimento do Século XVI ao Século XX e Objetivos Estratégicos na Era Contemporânea (EGBA, Salvador, 2008), The Necessary Conditions of the Economic and Social Development- The Case of the State of Bahia (VDM Verlag Dr. Müller Aktiengesellschaft & Co. KG, Saarbrücken, Germany, 2010), Aquecimento Global e Catástrofe Planetária (Viena- Editora e Gráfica, Santa Cruz do Rio Pardo, São Paulo, 2010), Amazônia Sustentável- Para o progresso do Brasil e combate ao aquecimento global (Viena- Editora e Gráfica, Santa Cruz do Rio Pardo, São Paulo, 2011), Os Fatores Condicionantes do Desenvolvimento Econômico e Social (Editora CRV, Curitiba, 2012), Energia no Mundo e no Brasil- Energia e Mudança Climática Catastrófica no Século XXI (Editora CRV, Curitiba, 2015), As Grandes Revoluções Científicas, Econômicas e Sociais que Mudaram o Mundo (Editora CRV, Curitiba, 2016), A Invenção de um novo Brasil (Editora CRV, Curitiba, 2017), Esquerda x Direita e a sua convergência (Associação Baiana de Imprensa, Salvador, 2018), Como inventar o futuro para mudar o mundo (Editora CRV, Curitiba, 2019), A humanidade ameaçada e as estratégias para sua sobrevivência (Editora Dialética, São Paulo, 2021), A escalada da ciência e da tecnologia e sua contribuição ao progresso e à sobrevivência da humanidade (Editora CRV, Curitiba, 2022), est l’auteur d’un chapitre du livre Flood Handbook (CRC Press, Boca Raton, Floride, États-Unis, 2022), How to protect human beings from threats to their existence and avoid the extinction of humanity (Generis Publishing, Europe, Republic of Moldova, Chișinău, 2023) et A revolução da educação necessária ao Brasil na era contemporânea (Editora CRV, Curitiba, 2023).
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