Le moteur à hydrogène
B. Ecologie
Le recours à l’hydrogène comme vecteur énergétique propre est l’une des solutions pour répondre aux actuels défis énergétiques. Afin de produire ce carburant du futur, l’électrolyse de l’eau figure parmi les filières "écologiques" les plus prometteuses. Principal écueil : son rendement. Mais une équipe de chercheurs regroupant des laboratoires du CNRS et les entreprises AREVA NP et SCT, est parvenue, pour la première fois, à produire de l’hydrogène en quantité notable par une nouvelle méthode.
De nouvelles infrastructures de production
L'interêt principal de l'hydrogène se situe au niveau écologique, produire de l'énergie grâce à de l'eau pour remplacer les hydrocarbures polluants et toxiques semble une solution idéale. Mais d'importants problèmes sont rencontrés si l’atome d’hydrogène, lié à l’oxygène, est très abondant sous forme d’eau, les molécules d’hydrogène, elles, ne se trouvent pas à l’état pur. Le défi auquel s’attèlent les chercheurs est donc de produire de l’hydrogène, sans dégagement de dioxyde de carbone. Pour cela, l’électrolyse de l’eau, c’est-à-dire sa décomposition en hydrogène (H) et oxygène (O), est l’une des solutions envisagées. Aujourd’hui maîtrisée, cette technique présente toutefois des inconvénients majeurs : son rendement ne dépasse pas 80 %, son coût de production est trop élevé et certains matériaux utilisés sont polluants ou même dangereux.
Le problème majeur lié à la pollution n'est pas le moteur en lui-même, comme on peut le penser, mais la production d'hydrogène.
Pour contrer cette pollution dûe à la production d'hydrogène, l'utilisation des énergies renouvelables est une alternative sérieusement envisagée. Pour illustrer cette utilisation, l'existence du projet HYDROSOL I et II qui consistent respectivement à la production massive d'hydrogène grâce à l'énergie solaire puis le stockage de l'énergie solaire sous forme d'hydrogène utilisé dans une pile à combustible, ce qui donne une véritable utilité à l'énergie solaire qui est aujourd'hui perçue comme futile.
Ce projet a son équivalent français, le projet MYRTE (Mission hYdrogène Renouvelable pour l'inTégration au réseau Electrique). Ce laboratoire de recherche se situe en Corse, c'est la première installation grandeur nature a but d'expérimentation de l'utilisation de l'hydrogène comme manière alternative de stocker l'énergie solaire.
Ce réseau a été spécialement installé en Corse pour répondre à une demande électrique propre aux régions insulaires. Les réseaux électriques insulaires sont de petite dimension, sensibles aux variations de production, limités en capacité de nouveaux moyens de production, avec une forte augmentation de la demande en électricité. La production d'hydrogène, seulement active aux moments de faible consommation, permet de lisser la production d'électricté pendant les heures de fortes consommation, le soir, lorsque les panneaux photovoltaïques ne produisent plus d'énergie ; à éviter les surtensions électriques dans un contexte de faible consommation et à éviter les variations de production lors du passage d'un nuage, par exemple.
Cette équipe de chercheurs allemands, espagnols, grecs, danois et britanniques ont été récompensés par le Prix européen de la recherche Descartes et le Technical Achievement Award du Partenariat international pour l’économie de l’hydrogène (IPHE).
Réduire les émissions de gaz à effet de serre?
Ce graphique illustre les émissions de gaz à effet de serre selon les secteurs, avec en première place la production d'énergie qui produit aussi 21,3 % des gaz à effet de serre de la planète. Or fabriquer de l'hydrogène comme le fait la plateforme MYRTE ne produit aucun gaz à effet de serre, le secteur des transport verrait ses émissions de gaz chuter car les moteurs à hydrogène ne rejettent que de la chaleur et de l'eau.
Mais l'hydrogène étant lui-même un gaz à effet de serre, une catastrophe industrielle, comme les nombreuses qui ont eu lieu avec les hydrocarbures, mettraient en danger la couche d'ozone de façon permanente et irréversible.
Quelques inconvénients peuvent toutefois résulter de la production de vapeur d'eau à la suite de l'utilisation du moteur à hydrogène. Lorsque l'eau, sous forme de vapeur d'eau, est rejeté dans l'atmosphère, elle forme des nuages, mais à grande échelle la production de vapeur d'eau par les voitures à hydrogène produira des orages importants, surtout dans les villes et sur les autoroutes, pouvant engendrer des accidents. Un système de stockage serait alors nécessaire, la pile à combustible produit à elle seul 1 litre d'eau pure tous les 100 kilomètres.
Si cette eau pure est stockée elle permettrait de réduire les coûts de traitement des eaux, d'éviter le surpompage, les utilisateurs de moyens de transports dotés d'un moteur à hydrogène pourront utiliser l'eau issue de leur moteur à des fins ménagères comme prendre une douche, laver le sol, etc.
De nouvelles perspectives de production
De nombreuses découvertes ont été réalisées dans le but de rendre la production d'hydrogène entièrement écologique.
- Sapporo Beer, un groupe alimentaire, a présenté une technique permettant de synthétiser de l'hydrogène à partir de résidus de l’industrie boulangère par fermentation du houblon. Les résidus de la fabrication du pain sont mélangés à de l’eau puis introduits dans un réacteur. Lorsque le réacteur est chauffé, le glucose compris dans les restes subit une fermentation bactérienne et libère de l’hydrogène. À cette étape, on introduit le houblon pour contrôler l’activité des bactéries, sans nécessité de chauffer de nouveau le milieu de culture. Le houblon utilisé peut aussi provenir de résidus des brasseries, rendant le processus entièrement économique et écologique. Des essais ont été menés sur 180 jours dans des bacs expérimentaux de 900 litres , ils ont démontré que le contrôle des différentes fermentations permettait d’atteindre un rendement de 80% dans la transformation de glucose en hydrogène. Les méthodes précédentes ne permettaient alors pas de dépasser les 50%. Les rendements sont jugés suffisants, et subissent à l'heure actuelle des test pour une industrialisation à grande échelle. Ce dispositif serait adapté à des structures équipées des piles à combustible. L’entreprise va continuer ses recherches afin de pouvoir utiliser le système avec d’autres matières végétales : résidus de manioc lors de la fabrication de tapioca, feuilles et branchages, …
- En outre, des chercheurs du "Institute of Multidisciplinary Research for Advanced Materials" au Japon ont découvert un procédé de génération d'hydrogène à l'aide de cellulose de bois. Ces chercheurs ont mis en avant qu'un broyage physico chimique à sec à partir de cette cellulose de bois , suivi d'une caléfaction entraine la synthèse de l'hydrogène pur. Le rendement est de l'ordre de 90%. Le mélange requière cependant d'être broyé à sec et chauffé dans une atmosphère d'argon. Un mélange composé de 93.5% de dihydrogène, et de 6.4% de méthane, ainsi que des traces de dioxyde de carbone, est libéré. L'hydrogène est dit "pur" car il possède moins de 1% de dioxyde de carbone. Cette méthode de production à partir de la biomasse bois a toutes ses chances de se développer. En effet, un brevet a été déposé pour cette méthode de production d'hydrogène pur.
- Des chercheurs du MIT proposent quant à eux une solution efficace et simple. En effet, elle n'emploie pas de matières premières toxiques et polluantes. " L’énergie solaire a toujours été une solution un peu lointaine, limitée, explique le professeur Nocera. A présent, nous pouvons sérieusement penser à une énergie solaire non limitée, et pour bientôt." Ils ont mis au point un processus proche de la photosynthèse , permettant de décomposer l'eau en hydrogène et oxygène à partir de l'énergie solaire. Ces gaz peuvent ensuite être utilisé dans une pile à combustible, pour alimenter une voiture ou une maison en électricité. Ce nouveau système repose sur un catalyseur qui produit de l'oxygène à partir de l'eau. Lorsque le courant électrique passe dans l'électrode, le cobalt et le phosphate forment un film où de l'oxygène est produit. Un autre catalyseur produit alors l'hydrogène. Ce nouveau catalyseur fonctionne à température ambiante et à Ph neutre.
- Des scientifiques ont découvert en 2008 une nouvelle méthode pour produire de l'hydrogène. C'est une production qualifiée de "verte" car elle n'utilise aucune substances polluantes ou toxiques. Les bactéries qui fixent l'azote jouent un rôle fondamental dans l'agriculture. Ces dernières vivent dans le sol ou encore sur les racines de certaines plantes. Leur rôle est de convertir l'azote de l'air sous forme chimique que les plantes pourront alors réutiliser pour se développer. Trois processus entre en jeu: la fixation de l'azote, la nitrification et la dénitrification. C'est lors de la nitrification que l'hydrogène est produit. Les chercheurs ont alors développé une méthode pour identifier les bactéries productrices d'hydrogène. Ils ont alors cherchés un gène inhibant la capacité d'absorption de l'hydrogène , le libérant. Cet hydrogène peut alors être utilisé. Les chercheurs travaillant sur ce projet sont au nombre de quatre : Paul Bishop, Telissa Loveless, Jonathan Olson et Bruno-José Barcena.
Ces exemples sont nombreux et montrent l'intérét réel que les scientifiques portent à l'hydrogène. Ils ne cessent d'améliorer le moteur ainsi que la production de l'hydrogène pour que le moteur à hydrogène deviennent une valeur sûre en terme d'écologie.