Hydrogène, carburant de demain ?

Jeudi 1er décembre 2016, par Alain Argenson (ECN 62) // Vecteurs et stockage d’énergie


Le développement de l’utilisation de l’hydrogène comme carburant dépend notamment :
-  des progrès techniques en vue de produire l’hydrogène de manière respectueuse pour l’environnement et à un prix compétitif,
-  de la mise à disposition d’infrastructures de distribution et de stockage,
-  des percées technologiques dans le domaine des systèmes à pile à combustible notamment.

Ces développements doivent répondre aux attentes de sécurité et de coût.

L’hydrogène n’est pas disponible en l’état. Il est combiné avec d’autres atomes comme dans les molécules d’eau (H2O) et de méthane (CH4), constituant principal du gaz naturel. C’est un vecteur d’énergie qui doit être produit pour ensuite être stocké, distribué et consommé.


Les particularités de l’hydrogène

-  L’hydrogène est un gaz inodore, incolore et non toxique.
-  L’hydrogène (H2) est la molécule la plus petite et le plus léger des gaz. Il se diffuse très vite dans l’air et présente une propension à fuir.
-  L’hydrogène est la molécule qui dispose de la plus grande densité énergétique (ratio énergie disponible / masse) : 120 MJ/kg, soit 2,2 fois plus que le gaz naturel ou encore 1 kg d’hydrogène libère environ trois fois plus d’énergie qu’1 kg d’essence.
-  En revanche, il a un faible pouvoir énergétique volumique (10,8 MJ/m3 comparé au gaz naturel 39,77 MJ/m3).
-  La combustion de l’hydrogène ne génère que de l’eau. Il a une flamme à peine visible à l’œil nu et une température de 2300 °C dans l’air.
-  La réglementation le classe comme « extrêmement inflammable » : il a un large domaine d’inflammabilité (4 à 75 % vol. dans l’air) et une énergie d’inflammation très faible (0,02 MJ).


La Production de l’hydrogène

Aujourd’hui l’hydrogène est produit pour 48 % à partir de gaz naturel principalement méthane (CH4), 30 % d’hydrocarbures liquides, 18 % de charbon et seulement 4 % par électrolyse.

Les 2 grands principes de production à partir des énergies fossiles sont :
-  le reformage : le méthane contenu dans le gaz naturel réagit à chaud avec la vapeur d’eau pour former de l’hydrogène et du monoxyde de carbone (CO). Le bilan environnemental de cette technologie dépend donc de la capture et de la séquestration du CO2 ainsi formé,
-  la gazéification : c’est une combustion partielle d’une matière organique (charbon, biomasse) en présence d’air ou d’oxygène dont les quantités disponibles ont été volontairement limitées. Cette transformation partielle produit du gaz de synthèse riche en hydrogène. L’hydrogène obtenu peut être utilisé comme carburant.

La production d’hydrogène par électrolyse de l’eau est appelée à se développer et pourrait être très décentralisée avec couplage à l’électricité renouvelable (solaire, éolien).


Le stockage d’hydrogène

L’hydrogène peut être stocké sous forme :
-  gazeuse comprimée : à plusieurs centaines de bar, dans des réservoirs à hautes pressions : c’est la solution la plus répandue aujourd’hui,
-  liquide cryogénique : l’hydrogène est liquéfié à -253 °C ce qui consomme de l’énergie et nécessite des réservoirs munis d’une bonne isolation thermique,
-  stocké « solide » : adsorbé sur un hydrure métallique (ces matériaux sont lourds et ont une faible capacité de stockage – 4 kg d’hydrogène stocké pour 100 kg de matériaux adsorbants) ou adsorbé par des matériaux poreux (solide à grande surface comme des charbons actifs, nanotubes de carbone, nanofibre, etc.).


Les risques associés

Les risques associés à la production et à l’utilisation de l’hydrogène dans le milieu industriel sont connus et maîtrisés. Le contexte réglementaire y est adapté et les codes de bonnes pratiques existent.

Élargir l’utilisation de l’hydrogène à d’autres applications, comme le transport notamment automobile, nécessite d’établir de nouveaux référentiels, de fixer de nouvelles normes et d’adapter le contexte régissant l’utilisation de l’hydrogène vecteur d’énergie du point de vue de la sécurité.

-  Le transport et le stockage :

o pour le stockage sous hautes pressions : la faible densité volumique de l’hydrogène nécessite de le transporter dans des réservoirs à hautes pressions. L’éclatement du réservoir et les effets associés (surpressions aériennes et projection de fragments) sont tout particulièrement redoutés. L’INERIS a conduit des tests sur les réservoirs qui ont été soumis à des agressions (feu, tir à balle, chute…) afin d’évaluer d’une part le niveau de fiabilité des dispositifs de sécurité (fusible thermique et limiteur de débit) et d’autre part le maintien de l’intégrité de ces réservoirs en situation accidentelle,

o pour le stockage solide : la mise en contact accidentelle du composé adsorbant (sous forme de poudre) avec l’air, l’eau ou encore d’autres agents incompatibles est plus particulièrement redoutée compte tenu des risques d’incendie violents qui peuvent en résulter. L’Institut a conduit des tests sur différents matériaux adsorbants qui ont été soumis à des conditions similaires à celles rencontrées en situation accidentelle. Les premiers résultats mettent en évidence, pour les hydrures testés, l’absence de réaction à l’air libre et à l’eau.

-  Les fuites et la formation d’atmosphère explosive :

L’hydrogène présente, au regard de sa faible taille moléculaire, une propension à fuir. Dans un milieu confiné et mal ventilé, une atmosphère explosive peut se former. L’INERIS réalise des essais afin d’étudier d’une part la dispersion d’hydrogène et d’autre part les moyens permettant de prévenir la formation d’atmosphères explosives, tels que les systèmes de détection et de ventilation.


Le rôle de l’INERIS (*)

(*) Institut National de l’Environnement Industriel et des Risques

Depuis le début des années 2000, l’INERIS participe avec ses partenaires à de nombreux programmes de recherche français et européens couvrant l’ensemble des thématiques propres à la filière hydrogène (technologie de production, transport, stockage et systèmes de conversion).

L’INERIS a réalisé avec ENEA consulting, pour le compte de l’ADEME, un Guide d’information sur les risques et les mesures de sécurité liés à la production décentralisée d’hydrogène (juin 2015). L’Institut a également produit un rapport intitulé Étude comparative des réglementations, guides et normes concernant les électrolyseurs et le stockage d’hydrogène.

Les analyses de risques réalisées par l’INERIS, sur la base d’un retour d’expérience de l’accidentologie autour des installations de production et de stockage de l’hydrogène, ont fait ressortir les dangers de l’hydrogène dans le contexte des électrolyseurs, des compresseurs et des systèmes de stockage associés.


Les programmes de recherche

L’INERIS participe à différents projets de recherche nationaux ou européens dans le domaine des risques des nouvelles applications :
-  le projet DIMITRHY cherche à établir des données expérimentales et numériques sur les moyens d’atténuation du risque hydrogène pour des applications de pile à combustible en milieu confiné ou semi-confiné,
-  le projet CYRANO-1 s’intéresse à la valorisation de parcs éoliens par stockage d’énergie sous forme d’hydrogène pressurisé dans un gazoduc, avec pour objectif la régulation d’un réseau électrique susceptible de desservir une population de l’ordre de 500 000 personnes,
-  le projet HYPE vise à développer des réservoirs de stockage haute pression pour l’automobile, dotés d’une capacité accrue et d’un système de protection incendie,
-  le projet AIDHY a pour objectif l’étude de la perception et de l’acceptabilité des technologies de l’hydrogène,
-  le projet BIOH2 concourt à la mise au point d’un démonstrateur de production en continu d’hydrogène à partir de biomasse,
-  le projet LOKI R s’intéresse à la production de gaz de synthèse basée sur l’utilisation d’échangeur-réacteur micro-structuré,
-  le projet BIOH2 GEN porte sur le développement d’une installation de production d’hydrogène de taille industrielle par le biais de la technique de reformage catalytique à la vapeur à partir de bioéthanol dégradé,
-  le projet H2E (financé par BPIFRANCE/Air Liquide) se concentre sur le développement de technologies innovantes pour la production d’hydrogène à partir d’énergies renouvelables, le stockage d’hydrogène et l’industrialisation des piles à combustible. Dans ce cadre, la sécurité du stockage est notamment étudiée,
-  le projet Européen HYCHAIN MINI-TRANS doit permettre de tester en grandeur réelle des véhicules alimentés en électricité par une pile à combustible dans quatre pays d’Europe, dont la France.

Enfin, l’INERIS est partenaire du réseau d’excellence européen HYSAFE (Safe use of hydrogen as an Energy Carrier) dont l’objectif est de créer un réseau européen d’expertise sur la sécurité de l’hydrogène pour accompagner le développement de la filière.


Retrouvez également cet article dans le Flash n°52.