L'ère de l'hydrogène

Dernière modification le 10 December 2020 à 07h00
Photo Jeremy

L’hydrogène, comme source d’énergie pour nos sociétés, est un sujet qui fait couler beaucoup d’encre dernièrement. Bien qu’il existe des avenues intéressantes, ces technologies sont encore embryonnaires ou très spécifiques, et ce, pour encore longtemps.

Elon Musk, PDG de Tesla, qualifiait d’ailleurs la pile à l’hydrogène de «Fool [Fuel] cell» (Pile à combustible des fous [traduction libre]). Son entreprise est le plus grand moteur de l’électrification des transports au monde du 21e siècle. À la fin de 2019, seulement 7 500 véhicules à l’hydrogène avaient été vendus sur la planète, loin derrière les 5 000 000 millions de véhicules électriques à batterie. La course est perdue pour la voiture à l’hydrogène.
Pourquoi alors, les fusées spatiales utilisent-elles l’hydrogène comme source de carburant pour se propulser dans l’espace? Comment ces engins, à la fine pointe de la technologie, peuvent-ils utiliser cette source avec succès, alors que nous ne pourrions faire la même chose pour les voitures? Il faut analyser la physique derrière le premier élément du tableau périodique pour comprendre la cause.
L’hydrogène possède une grande densité énergétique par unité de masse, mais une densité énergétique par unité de volume très faible. En somme, un réservoir d’hydrogène est léger, mais gigantesque. Le principal défi pour s’évader dans l’espace est le poids que l’on transporte. Le volume du véhicule est donc secondaire dans l’équation. Il ne suffit que de regarder le réservoir de la navette spatiale américaine pour visualiser cette réalité. Un gigantesque réservoir d’hydrogène est nécessaire pour propulser, pendant seulement quelques minutes, une navette hors de l’atmosphère terrestre.
Le volume de nos véhicules terrestres, maritimes et aériens, la distribution et le stockage de ce carburant à grande échelle sont des enjeux techniques majeurs et complexes. Doit-on rappeler que l’hydrogène est une matière hautement explosive? Malgré les conditions optimales de sécurité de l’industrie de l’aérospatiale, des catastrophes majeures peuvent survenir, comme le monde a pu observer en direct lors de l’explosion en vol de la navette spatiale Challenger.
L’utilisation de l’hydrogène pour propulser nos voitures et nos camions comporte des risques et des défis technologiques majeurs. Le stockage et la manutention de l’hydrogène requièrent des systèmes à haute pression et à faible température. Le déploiement de tels systèmes sécuritaires demanderaient des investissements massifs sur plusieurs décennies. Ce genre d’infrastructures n’existe nulle part sur la planète actuellement. Tout cela ne veut pas dire qu’il n’existe pas un futur pour l’hydrogène. Seulement, il faut regarder ailleurs dans l’industrie pour trouver l’application idéale de cette source d’énergie.
Il y a depuis quelques années une augmentation significative des projets d’énergies renouvelables dans les sociétés industrialisées matures. Harnacher l’énergie du vent et du soleil nous permet de produire de l’électricité sans émissions de gaz à effet de serre. Malheureusement, cette génération n’est pas fiable, car imprévisible. Il faut que d’autres sources prennent la relève lors des intermissions.
Dans la plupart des sociétés, des énergies non renouvelables couvrent les lacunes de l’éolien et du solaire. En fonction de la disponibilité géographique, les sources les plus courantes sont le charbon, le gaz naturel, le pétrole et le nucléaire.
Si on exclut le nucléaire, les centrales au gaz naturel à cycles combinées sont les plus intéressantes au niveau des émissions de GES et de polluants. La flexibilité de ce genre de centrale électrique est excellente pour maximiser les apports des énergies renouvelables lorsqu’elles sont au rendez-vous.
Maintenant, quel est le lien avec l’hydrogène? Il est possible d’alimenter des turbines modernes avec des mixtes de gaz naturel et d’hydrogène, certaines turbines peuvent même être alimentées à 100% par l’élément H. Cela permet une production d’électricité sans émissions de GES. Ces développements technologiques sont prometteurs à long terme. Plusieurs fabricants de turbines investissent des sommes considérables dans le développement de ces turbines multi carburants.
Dans un monde idéal, le développement et l’intégration des énergies renouvelables, mais non fiables, comme l’éolien et le solaire continueraient. Les sociétés qui n’ont pas accès à l’hydroélectricité et au nucléaire pour pallier au manque de fiabilité du soleil et du vent, utiliseraient des centrales au gaz naturel conjointement aux énergies peu fiables. Ces centrales seraient munies de turbines aussi capables de fonctionner à l’hydrogène.
Il faut ensuite introduire le principe d’offre et de demande variables au quotidien pour illustrer le scénario cité ci-haut. En effet, la demande électrique est forte en matinée et en soirée, relativement stable durant la journée et faible durant la nuit. Lorsque les éoliennes et les panneaux solaires produisent plus que la demande, les centrales au gaz naturel, munies d’électrolyseurs et de grands réservoirs, utiliseraient l’électricité des énergies renouvelables pour transformer et stocker de l’hydrogène propre. Lorsque la demande d’électricité excède l’offre d’éolien et de solaire, les turbines à gaz démarrent, mais en ne brûlant que de l’hydrogène. Le seul rejet de cette chaîne énergétique est de l’eau.
Il s’agit bien sûr d’un scénario. Pour les sociétés industrialisées désirant éliminer leurs GES provenant de la production d’électricité, cela est réalisable. Cependant, l’implantation des différentes technologies, l’augmentation drastique des sources solaires et éoliennes et la transition du gaz naturel à 100% hydrogène pourraient prendre plusieurs décennies, voir un demi-siècle.
On entend souvent les environnementalistes crier à l’urgence climatique. Actuellement, aucune solution ne peut permettre à l’humanité d’éliminer rapidement ses émissions de GES. À moins de réduire drastiquement le niveau de vie de milliards d’individus, avec tous les problèmes que cela peut impliquer.
L’hydrogène peut faire partie de la solution dans notre quête d’un monde sans carbone. Ces options sont complexes et de longues haleine. En ce qui concerne le Québec, il existe peu d’intérêt à dépenser massivement dans ces technologies à l’heure actuelle. En effet, puisque notre électricité provient déjà de sources renouvelables, mais fiables, une caractéristique propre à l’hydroélectricité, les centrales au gaz naturel / hydrogène sont moins pertinentes. Sinon, il existe quelques niches intéressantes pour l’hydrogène dans les biocarburants et les procédés industriels, mais ces avenues demeurent marginales.
Restons sobre avec nos investissements de cette filiale, mais demeurons à l’affût des développements mondiaux.
Comme disait Jules Verne en 1875 dans son roman L’Île mystérieuse : « Oui, mes amis, je crois que l’eau sera un jour employée, comme combustible, que l’hydrogène et l’oxygène, qui la constituent, utilisés isolément ou simultanément, fourniront une source de chaleur et de lumière inépuisable et d’une intensité que la houille ne saurait avoir.» . Il y aura possiblement un futur monde de l’hydrogène.
Il avait simplement visualisé ce monde 200 ans trop tôt.
Jeremy Bélanger, ing.
Sources :

  1. https://www.powermag.com/ge-secures-first-ha-class-hydrogen-gas-power-deal-long-ridge-energy-terminal/
  2. https://www.powermag.com/worlds-first-integrated-hydrogen-power-to-power-demonstration-launched/
  3. https://nikolamotor.com/one
  4. https://ici.radio-canada.ca/nouvelle/1106547/station-ravitaillement-hydrogene-quebec
  5. https://en.wikipedia.org/wiki/Space_Shuttle_Challenger_disaster
  6. https://www.ge.com/power/gas/fuel-capability/hydrogen-fueled-gas-turbines
  7. https://www.power-eng.com/2020/03/12/just-what-goes-into-converting-a-gas-fired-turbine-to-hydrogen-the-mhps-perspective-on-carbon-free-thermal-power/
  8. https://www.forbes.com/sites/jamesmorris/2020/07/04/why-hydrogen-will-never-be-the-future-of-electric-cars/?sh=3820bc8212fa
  9. https://abc7news.com/bay-area-hydrogen-shortage-after-explosion/5328775/
  10. https://www.popularmechanics.com/science/energy/a926/4199381/
  11. https://www.businessinsider.com/spacex-rocket-cargo-price-by-weight-2016-6?op=1
  12. https://ddears.com/2020/11/20/hydrogen-wsj-spin/

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L'ère de l'hydrogène

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L’hydrogène, comme source d’énergie pour nos sociétés, est un sujet qui fait couler beaucoup d’encre dernièrement. Bien qu’il existe des avenues intéressantes, ces technologies sont encore embryonnaires ou très spécifiques, et ce, pour encore longtemps.

Elon Musk, PDG de Tesla, qualifiait d’ailleurs la pile à l’hydrogène de «Fool [Fuel] cell» (Pile à combustible des fous [traduction libre]). Son entreprise est le plus grand moteur de l’électrification des transports au monde du 21e siècle. À la fin de 2019, seulement 7 500 véhicules à l’hydrogène avaient été vendus sur la planète, loin derrière les 5 000 000 millions de véhicules électriques à batterie. La course est perdue pour la voiture à l’hydrogène.
Pourquoi alors, les fusées spatiales utilisent-elles l’hydrogène comme source de carburant pour se propulser dans l’espace? Comment ces engins, à la fine pointe de la technologie, peuvent-ils utiliser cette source avec succès, alors que nous ne pourrions faire la même chose pour les voitures? Il faut analyser la physique derrière le premier élément du tableau périodique pour comprendre la cause.
L’hydrogène possède une grande densité énergétique par unité de masse, mais une densité énergétique par unité de volume très faible. En somme, un réservoir d’hydrogène est léger, mais gigantesque. Le principal défi pour s’évader dans l’espace est le poids que l’on transporte. Le volume du véhicule est donc secondaire dans l’équation. Il ne suffit que de regarder le réservoir de la navette spatiale américaine pour visualiser cette réalité. Un gigantesque réservoir d’hydrogène est nécessaire pour propulser, pendant seulement quelques minutes, une navette hors de l’atmosphère terrestre.
Le volume de nos véhicules terrestres, maritimes et aériens, la distribution et le stockage de ce carburant à grande échelle sont des enjeux techniques majeurs et complexes. Doit-on rappeler que l’hydrogène est une matière hautement explosive? Malgré les conditions optimales de sécurité de l’industrie de l’aérospatiale, des catastrophes majeures peuvent survenir, comme le monde a pu observer en direct lors de l’explosion en vol de la navette spatiale Challenger.
L’utilisation de l’hydrogène pour propulser nos voitures et nos camions comporte des risques et des défis technologiques majeurs. Le stockage et la manutention de l’hydrogène requièrent des systèmes à haute pression et à faible température. Le déploiement de tels systèmes sécuritaires demanderaient des investissements massifs sur plusieurs décennies. Ce genre d’infrastructures n’existe nulle part sur la planète actuellement. Tout cela ne veut pas dire qu’il n’existe pas un futur pour l’hydrogène. Seulement, il faut regarder ailleurs dans l’industrie pour trouver l’application idéale de cette source d’énergie.
Il y a depuis quelques années une augmentation significative des projets d’énergies renouvelables dans les sociétés industrialisées matures. Harnacher l’énergie du vent et du soleil nous permet de produire de l’électricité sans émissions de gaz à effet de serre. Malheureusement, cette génération n’est pas fiable, car imprévisible. Il faut que d’autres sources prennent la relève lors des intermissions.
Dans la plupart des sociétés, des énergies non renouvelables couvrent les lacunes de l’éolien et du solaire. En fonction de la disponibilité géographique, les sources les plus courantes sont le charbon, le gaz naturel, le pétrole et le nucléaire.
Si on exclut le nucléaire, les centrales au gaz naturel à cycles combinées sont les plus intéressantes au niveau des émissions de GES et de polluants. La flexibilité de ce genre de centrale électrique est excellente pour maximiser les apports des énergies renouvelables lorsqu’elles sont au rendez-vous.
Maintenant, quel est le lien avec l’hydrogène? Il est possible d’alimenter des turbines modernes avec des mixtes de gaz naturel et d’hydrogène, certaines turbines peuvent même être alimentées à 100% par l’élément H. Cela permet une production d’électricité sans émissions de GES. Ces développements technologiques sont prometteurs à long terme. Plusieurs fabricants de turbines investissent des sommes considérables dans le développement de ces turbines multi carburants.
Dans un monde idéal, le développement et l’intégration des énergies renouvelables, mais non fiables, comme l’éolien et le solaire continueraient. Les sociétés qui n’ont pas accès à l’hydroélectricité et au nucléaire pour pallier au manque de fiabilité du soleil et du vent, utiliseraient des centrales au gaz naturel conjointement aux énergies peu fiables. Ces centrales seraient munies de turbines aussi capables de fonctionner à l’hydrogène.
Il faut ensuite introduire le principe d’offre et de demande variables au quotidien pour illustrer le scénario cité ci-haut. En effet, la demande électrique est forte en matinée et en soirée, relativement stable durant la journée et faible durant la nuit. Lorsque les éoliennes et les panneaux solaires produisent plus que la demande, les centrales au gaz naturel, munies d’électrolyseurs et de grands réservoirs, utiliseraient l’électricité des énergies renouvelables pour transformer et stocker de l’hydrogène propre. Lorsque la demande d’électricité excède l’offre d’éolien et de solaire, les turbines à gaz démarrent, mais en ne brûlant que de l’hydrogène. Le seul rejet de cette chaîne énergétique est de l’eau.
Il s’agit bien sûr d’un scénario. Pour les sociétés industrialisées désirant éliminer leurs GES provenant de la production d’électricité, cela est réalisable. Cependant, l’implantation des différentes technologies, l’augmentation drastique des sources solaires et éoliennes et la transition du gaz naturel à 100% hydrogène pourraient prendre plusieurs décennies, voir un demi-siècle.
On entend souvent les environnementalistes crier à l’urgence climatique. Actuellement, aucune solution ne peut permettre à l’humanité d’éliminer rapidement ses émissions de GES. À moins de réduire drastiquement le niveau de vie de milliards d’individus, avec tous les problèmes que cela peut impliquer.
L’hydrogène peut faire partie de la solution dans notre quête d’un monde sans carbone. Ces options sont complexes et de longues haleine. En ce qui concerne le Québec, il existe peu d’intérêt à dépenser massivement dans ces technologies à l’heure actuelle. En effet, puisque notre électricité provient déjà de sources renouvelables, mais fiables, une caractéristique propre à l’hydroélectricité, les centrales au gaz naturel / hydrogène sont moins pertinentes. Sinon, il existe quelques niches intéressantes pour l’hydrogène dans les biocarburants et les procédés industriels, mais ces avenues demeurent marginales.
Restons sobre avec nos investissements de cette filiale, mais demeurons à l’affût des développements mondiaux.
Comme disait Jules Verne en 1875 dans son roman L’Île mystérieuse : « Oui, mes amis, je crois que l’eau sera un jour employée, comme combustible, que l’hydrogène et l’oxygène, qui la constituent, utilisés isolément ou simultanément, fourniront une source de chaleur et de lumière inépuisable et d’une intensité que la houille ne saurait avoir.» . Il y aura possiblement un futur monde de l’hydrogène.
Il avait simplement visualisé ce monde 200 ans trop tôt.
Jeremy Bélanger, ing.
Sources :

  1. https://www.powermag.com/ge-secures-first-ha-class-hydrogen-gas-power-deal-long-ridge-energy-terminal/
  2. https://www.powermag.com/worlds-first-integrated-hydrogen-power-to-power-demonstration-launched/
  3. https://nikolamotor.com/one
  4. https://ici.radio-canada.ca/nouvelle/1106547/station-ravitaillement-hydrogene-quebec
  5. https://en.wikipedia.org/wiki/Space_Shuttle_Challenger_disaster
  6. https://www.ge.com/power/gas/fuel-capability/hydrogen-fueled-gas-turbines
  7. https://www.power-eng.com/2020/03/12/just-what-goes-into-converting-a-gas-fired-turbine-to-hydrogen-the-mhps-perspective-on-carbon-free-thermal-power/
  8. https://www.forbes.com/sites/jamesmorris/2020/07/04/why-hydrogen-will-never-be-the-future-of-electric-cars/?sh=3820bc8212fa
  9. https://abc7news.com/bay-area-hydrogen-shortage-after-explosion/5328775/
  10. https://www.popularmechanics.com/science/energy/a926/4199381/
  11. https://www.businessinsider.com/spacex-rocket-cargo-price-by-weight-2016-6?op=1
  12. https://ddears.com/2020/11/20/hydrogen-wsj-spin/

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