L’avenir de l’hydrogène vert dépend de l’électrolyse

La méthode utilisée pour la production de l’hydrogène vert est celle de l’électrolyse de l’eau. Elle n’est pas la seule technique permettant la production d’hydrogène, mais elle est la seule qui permette une production exempte d’émissions de gaz à effet de serre.

Nous allons découvrir ensemble ce qu’est précisément l’utilisation de l’électrolyse de l’eau pour obtenir un combustible aux propriétés uniques : l’hydrogène. Le développement de l’hydrogène dans différents pays de l’Union européenne (France, Belgique, Finlande, Pays bas, etc.) permet de mieux construire la nécessaire transition énergétique de nos sociétés trop dépendantes des énergies fossiles (pétrole, gaz, charbon).

Pourtant, nous verrons que le marché de l’hydrogène ne se fait pas toujours sans carbone et que seule la production d’hydrogène vert est une solution à faible ou nulle émission de CO2. Par conséquent, cette production doit pouvoir être envisagée à plus large échelle grâce au développement parallèle des énergies renouvelables. Découvrons tout cela.

Le marché de l’hydrogène à l’heure des enjeux environnementaux

Ce n’est un secret pour personne : le climat se dérègle, la biodiversité s’effondre et le vivant est menacé par un ensemble de pressions environnementales critiques (montée des eaux, intensité croissante des catastrophes météorologiques, etc.). Paradoxalement :

• le nombre d’habitants sur la planète croît de manière continue (ou presque) pour atteindre 8 milliards actuellement (contre 1,5 milliard en 1900) ;
• chaque habitant consomme de plus en plus d’énergie et augmente son impact carbone (11 tonnes par habitant par an en France en 2018) ;
• le parc de machines (industrie, secteur des services, transport, etc.) ne fait qu’augmenter, requérant de plus en plus d’énergie carbone ;
• les fonds investis par les majors pétrolières ont atteint les 300 milliards de dollars en 2014 contre 70 milliards en 2004 ;
• la quantité cumulée de chaque énergie consommée (énergies fossiles, énergie nucléaire et énergie renouvelable) continue à progresser ;
• etc.

Un tel constat nous ramène face aux menaces réelles et déjà engagées de réchauffement climatique, de menace sur le vivant ou encore d’altération irrémédiable du milieu naturel.

 

 

 

Le combustible hydrogène

Face à ces menaces (majoritairement liées aux émissions de gaz à effet de serre type CO2 dans l’atmosphère), les grandes puissances ont pris des engagements (notamment grâce aux COP successives) visant à réduire l’impact carbone de nos sociétés humaines.

Parmi les pistes explorées, la production d’un combustible puissant et disponible en quantité : l’hydrogène. L’hydrogène est l’élément chimique le plus présent dans l’univers (90 % de la matière et 75 % de la masse). Sa masse énergétique est environ trois fois supérieure au pétrole et il ne rejette que de l’eau pure après sa combinaison avec de l’oxygène. Un tel bilan nous interroge sur les raisons qui ont fait que l’hydrogène n’ait pas été mis en avant dès la révolution industrielle (l’hydrogène fut découvert en 1766).

Mais voilà, l’hydrogène a un énorme défaut par rapport au pétrole : il est toujours combiné avec d’autres molécules (oxygène dans l’eau, azote dans l’ammoniac ou carbone dans le méthane). Il est donc dur à isoler et les procédés permettant néanmoins de le capturer sont tous énergivores.

Les techniques de captation de l’hydrogène

Il existe trois techniques principales utilisées dans l’industrie pour extraire l’hydrogène des molécules auxquelles il contribue.

1. L’électrolyse de l’eau (H2O) permet (grâce à un courant électrique) de scinder les atomes d’hydrogène (H) de ceux d’oxygène (O).
2. Le vaporeformage consiste à contraindre un gaz carboné (méthane par exemple) à de la vapeur d’eau à haute température afin de casser les liaisons atomiques et de récupérer l’hydrogène.
3. La gazéification du charbon dégage l’hydrogène (ainsi que le carbone) contenu dans le charbon fossile.

Seule la première technique (électrolyse de l’eau) ne produit aucun dégagement de carbone puisque l’eau n’en contient pas.

L’électrolyse de l’eau donne l’hydrogène vert

L’Europe s’est donné comme projet (27 COP) de réduire ses émissions de gaz à effet de serre de 55 % d’ici 2030. Pari ambitieux qui ne passera pas sans réussir à maîtriser l’hydrogène vert obtenu grâce à l’électrolyse de l’eau. Mais qu’est-ce que ce procédé d’électrolyse et comment permet-il de ne rejeter aucun gaz à effet de serre ?

Autopsie d’un électrolyseur

Les électrolyseurs sont des machines de tailles et de formes différentes qui permettent d’aboutir à un procédé chimique d’électrolyse de l’eau. Plus schématiquement, et à plus petite échelle, essayons de résumer un électrolyseur de par ses composants :

• une membrane dite « électrolyte » bloque les électrons, mais permet le passage des protons d’hydrogène. Elle est entourée de deux électrodes (une anode reliée au + de la source d’électricité et une cathode reliée au —) ;
• l’anode et la cathode sont elles-mêmes au contact de plaques dites (bipolaires) ;
• une source d’énergie électrique (batterie pour notre exemple), ainsi que deux câbles électriques reliant des pôles de la batterie aux plaques bipolaires ;
• un réservoir d’eau en approvisionnement ;
• deux contenants permettant de récolter le dihydrogène (côté cathode) et le dioxygène (côté anode) en cours d’électrolyse.

À vision simplifiée, voici de quoi se compose un électrolyseur.

Principe de l’électrolyse

Essayons de décrire ce processus chimique de manière intelligible pour chacun.

1. L’eau est acheminée au contact de la plaque bipolaire de l’anode. Le potentiel électrique (fourni par la batterie) va briser les liaisons chimiques de l’eau (H2O) en séparant les atomes d’oxygène (O) de ceux d’hydrogène (H). Cette réaction va libérer également des électrons : c’est le processus d’oxydation.
2. Les protons d’oxygène (l’atome une fois dépourvu de ses électrons, il ne reste plus que les protons du noyau) se combinent par paire pour donner du dioxygène et sont acheminés dans le contenant prévu à cet effet. De leur côté, les électrons sont bloqués par la membrane « électrolyte » et se dirigent vers le pôle + de la batterie. Pendant ce temps, les protons d’hydrogène traversent la membrane « électrolyte » (qui autorise leur passage contrairement aux électrons) en direction de la cathode (pôle -).
3. Une fois arrivés à la cathode, les protons d’hydrogène récupèrent un électron amené par le pôle – de la batterie (relié à la plaque bipolaire de la cathode). En chimie, c’est le processus de réduction. Puis, ces atomes d’hydrogène reconstitués (protons ayant récupéré un électron), ils s’assemblent par paire également pour donner du dihydrogène, à son tour acheminé dans le contenant prévu à cet effet.

Récapitulons : après électrolyse de l’eau, nous avons donc :

• un réservoir d’eau vide ;
• un contenant de dihydrogène rempli côté cathode (environ 100 gr de dihydrogène pour 1 litre d’eau au départ) ;
• un contenant de dioxygène rempli côté anode (deux fois moins que de dihydrogène) ;
• une batterie ayant subi une décharge (circulation des électrons = courant électrique) ;
• aucune émission de carbone.

Il faut compléter en disant que pour la création d’hydrogène vert, la source d’électricité utilisée (une batterie dans notre exemple) est nécessairement issue des énergies renouvelables (énergie éolienne, énergie solaire ou hydro-électrique). Cela permet de garantir l’intégrité écoresponsable non seulement de la méthode d’électrolyse de l’eau, mais aussi de sa source d’électricité non carbonée.

Petit complément : l’électrolyse de l’eau est un procédé chimique réversible. Ainsi, on peut créer de l’électricité avec de l’hydrogène en recombinant le dihydrogène avec le dioxygène. Le seul produit de rejet est de l’eau pure (H2O). Cette technologie s’appelle la pile à combustible ou PEMFC.

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