L’hydrogène : le couteau suisse des énergies.

Toute une suite de technologies est nécessaire pour décarboner la planète et atteindre les objectifs de l’Accord de Paris de 2015. L’hydrogène est la molécule la plus abondante au monde et émerge comme une solution énergétique importante. L’élément chimique aidera les pays individuels dans leur tentative d’atteindre des émissions nettes nulles d’ici 2050. L’hydrogène ne contient pas de carbone et est l’une des rares grandes options de stockage d’énergie à long terme. 

Aujourd’hui, l’hydrogène est couramment utilisé comme catalyseur dans le raffinage du pétrole, la production d’ammoniac et de méthanol. Il a de nombreuses applications futures en tant que source d’énergie propre dans les transports, le chauffage, la production d’électricité et l’industrie. Angel Wileman, responsable des thermofluides au Southwest Research Institute (SWRI) et passionné d’hydrogène autoproclamé, qualifie l’hydrogène de couteau suisse des sources d’énergie. Il peut tout faire, bien que ce ne soit pas toujours la meilleure option pour le travail, dit-elle.

Wileman a prononcé le discours d’ouverture sur l’avenir de l’hydrogène intitulé Hydrogen is Here. Sommes-nous prêts ? lors de la réunion annuelle STLE à Long Beach, Californie, États-Unis, du 21 au 25 mai 2023. Wileman a rejoint le Southwest Research Institute (SwRI®) à San Antonio, Texas, États-Unis, en 2011 et se concentre sur la recherche d’énergies alternatives et sur la compréhension des ressources en eau et de l’hydrogène.

L’hydrogène est apparu dans le domaine des transports dès 2005, BMW entreprenant une production limitée de la BMW Hydrogen 7 de 2005 à 2007. Le véhicule révolutionnaire du constructeur automobile allemand brûlait de l’hydrogène dans le moteur à combustion interne (ICE). À l’époque, un financement gouvernemental important était disponible, alimentant les efforts de recherche en science des matériaux et en stockage d’énergie.

Presque dès son arrivée, le battage médiatique autour de l’hydrogène a de nouveau disparu. « C’est en quelque sorte tombé dans l’oubli », explique Wileman. L’ingénieur en système de fluides thermiques a attribué la quasi-disparition de la recherche sur l’hydrogène aux progrès réussis de la technologie des batteries, qui ont résolu de nombreux problèmes de stockage d’énergie, et à la perfection de la fracturation hydraulique permettant d’accéder à de vastes ressources en gaz naturel. Les États-Unis sont passés d’un manque de gaz naturel à un tel niveau qu’ils ont commencé à en exporter.

Le pendule revient à nouveau à l’hydrogène, dit Wileman. L’augmentation significative du financement de l’hydrogène peut être constatée en comparant l’investissement de 280 millions de dollars du Département américain de l’énergie (DOE) avec l’annonce de l’année dernière d’environ 8 milliards de dollars pour la technologie et les infrastructures de l’hydrogène dans le cadre de la loi bipartite sur les infrastructures signée par le président américain Joseph Biden. La majeure partie du financement est dirigée vers un réseau régional de « hubs hydrogène ».

Les hubs hydrogène visent à pallier la difficulté d’acheminement de l’hydrogène avec la création de centres de production et d’utilisation de l’hydrogène au même endroit. Les candidatures pour développer les hubs ont été clôturées le 7 avril 2023, avec des demandes reçues de tout le pays, principalement autour des ports et des régions industrielles. 

Wileman a noté que l’approche actuelle pour développer l’hydrogène ne suit pas un modèle typique d’offre et de demande. Le gouvernement investit dans la production, les applications d’utilisation finale et l’infrastructure. Cela signifie que tout le spectre de l’hydrogène est « mûr pour la recherche », dit-elle. Le véritable moteur de la demande est la nécessité de décarboniser l’économie, dit-elle. 

La combustion propre de l’hydrogène offre de nombreux avantages, mais des défis techniques majeurs doivent être relevés. L’hydrogène est un carburant très dense en énergie en poids, mais pas en volume, et doit donc être stocké à des pressions extrêmement élevées pouvant atteindre 10 000 livres par pouce carré (psi) ou 700 bar. C’est un sérieux défi, dit Wileman. Les caractéristiques physiques rendent également les déplacements difficiles. Près de quatre fois plus d’énergie est nécessaire pour déplacer l’hydrogène via des pipelines, dit-elle.

L’hydrogène « ne joue pas bien avec les matériaux », explique Wileman, les composants se fissurant parfois en présence d’hydrogène. Les chercheurs tentent de concevoir des équipements capables de supporter des pressions extrêmement élevées. Des efforts pour faire progresser les mécanismes d’étanchéité et d’autres technologies pour rendre la compression plus fiable sont en cours. 

SwRI a conçu un compresseur à piston à moteur linéaire (LMRC) pour comprimer l’hydrogène comme source de carburant dans les voitures à hydrogène. LMRC applique des joints dynamiques qui sont hermétiquement scellés pour éviter les fuites et permettre une efficacité de compression accrue. Wileman anticipe de plus grandes recherches sur la compréhension de l’interaction de l’hydrogène avec les matériaux, les modèles d’usure et les exigences en matière de lubrifiants. 

Les véhicules propulsés à l’hydrogène nécessitent encore une lubrification importante. Cependant, Wileman a noté que l’hydrogène est un carburant extrêmement sec et peut causer des problèmes de frottement et d’usure. Les petites molécules peuvent également facilement imprégner les matériaux. Un autre obstacle est que les lubrifiants ne se mélangent pas bien avec le sous-produit de la combustion de l’hydrogène, l’eau, et des recherches supplémentaires sont nécessaires dans ce domaine, dit-elle.

L’hydrogène est un matériau explosif et les préoccupations concernant la sécurité sont répandues lors de la combustion de l’hydrogène. Wileman a souligné la nécessité de surveiller l’auto-allumage ou le pré-allumage et a souligné le rôle de la modélisation informatique dans le déploiement de l’hydrogène à grande échelle pour comprendre les impacts potentiels d’une explosion accidentelle.

Le coût est un obstacle important à l’adoption d’hydrogène propre. Le DOE a mis en place l’Energy Earthshots Initiative pour fournir des solutions d’énergie propre plus abondantes, abordables et fiables. La première initiative, annoncée le 7 juin 2021, vise à réduire de 80 % le coût de l’hydrogène propre d’ici la fin de la décennie et à accélérer la demande.

L’hydrogène vert est produit en faisant passer un courant électrique dans l’eau pour la diviser en H ₂ et O ₂ . L’hydrogène peut également être produit via des combustibles fossiles avec du gaz naturel en utilisant le reformage du méthane à la vapeur et à partir de la gazéification du charbon et du pétrole. Actuellement, moins de 1 % de la production mondiale d’hydrogène provient de sources d’énergie renouvelables, selon l’Agence internationale de l’énergie (AIE) basée à Paris. 

Essayer de nettoyer ce processus est un défi majeur pour l’industrie, dit Wileman. La pyrolyse du méthane est une nouvelle approche prometteuse qui implique la décomposition thermique du méthane en hydrogène gazeux et en carbone solide pouvant être utilisé pour fabriquer des éléments comme la fibre de carbone. Des enquêtes sur la manière d’intensifier ce processus sont en cours, dit-elle.

Il est généralement reconnu que l’hydrogène sera une partie importante de notre parcours de décarbonation. Cependant, des questions subsistent quant au rôle exact qu’il jouera. Ce n’est pas une solution miracle, dit Wileman. La réalité est que cela jouera un rôle de soutien, avec un impact global moindre que le changement de comportement et les réductions de la demande, dit-elle.  

La feuille de route hydrogène du DOE indique que 90 % de la consommation d’hydrogène en 2021 était liée au raffinage (ammoniac, métaux et produits chimiques). Cependant, la transition vers la fabrication de carburants synthétiques et la valorisation de la biomasse est lente. Le représentant de SwRI a également souligné les plans immédiats pour mélanger jusqu’à 20% d’hydrogène dans les gazoducs dans certaines régions de Californie.  

Wileman pense que les meilleures applications de l’hydrogène se trouvent dans les secteurs difficiles à réduire du transport lourd et du stockage d’énergie à long terme. Alors que certaines prévisions suggèrent que les véhicules électriques à pile à combustible à hydrogène deviendront un marché de 40 milliards de dollars d’ici 2030, en avril 2023, il n’y avait que 60 stations publiques de ravitaillement en hydrogène dans l’ensemble des États-Unis, dont 59 en Californie et une à Hawaï. 

Le financement est important pour faire progresser la technologie, mais ce qui change vraiment le comportement, c’est la réglementation, dit Wileman. Le représentant de SWRI pense que deux réglementations récentes du California Air Resources Board (CARB) auront un impact notable sur l’avancement de l’hydrogène aux États-Unis : la règle In-Use Locomotive, adoptée le 27 avril 2023, et la règle Advanced Clean Fleets, qui a été adoptée un jour plus tard. 

La In-Use Locomotive Rule vise à réduire les émissions de toutes les locomotives de manœuvre, de passagers, industrielles et de fret, tandis que la Advanced Clean Fleets Rule met fin aux ventes de camions à combustion en Californie en 2036. Les poids lourds représentent 6% du trafic sur les routes californiennes mais un quart des émissions de gaz à effet de serre. Les trains sont pires. Un train produit plus d’oxyde nitreux et de particules diesel que 400 camions lourds, selon le CARB.  

Malgré son application en Californie, la nouvelle réglementation aura un impact significatif sur le reste des États-Unis. Actuellement, 40 % des marchandises importées arrivent en Californie et sont distribuées au reste des États-Unis. Les routes commerciales décarbonées de Los Angeles commenceront à filtrer dans tout le pays.