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Le passage à l'économie de l'hydrogène un défi technologique mais surtout politique

« D'ici à deux générations, l'une des principales solutions aux problèmes énergétiques sera l'hydrogène, affirme Klaus Yvon, professeur au Laboratoire de cristallographie de l'Université de Genève mais cette révolution énergétique prendra une cinquantaine d'années. » Ce scientifique suisse travaille sur de nouveaux alliages métalliques capables d'absorber et de stocker de grandes quantités d'hydrogène dans des conditions de température et de pression ambiantes.

Mais l’hydrogène ne doit pas seulement pouvoir être stocké facilement, il doit également être produit de manière propre. Les chercheurs suisses ont donc imaginé une maison solaire énergétiquement autarcique à Carouge, sur le site du Centre universitaire d’étude des problèmes de l’énergie (Cuepe). Des panneaux solaires installés sur le toit du bâtiment généreront de l’électricité à partir de laquelle sera produit de l’hydrogène qui sera stocké dans les alliages de Klaus Yvon. Ceux-ci fonctionnent comme des « éponges » et permettront de fournir de l’énergie sous forme d’électricité et de chaleur au bâtiment durant toute l’année. Avantage de ce binôme énergétique : son rendement global est largement supérieur à celui de la photosynthèse, c’est-à-dire à la transformation de l’énergie solaire en biomasse telle que le bois.

Pour l’instant, l’utilisation de l’hydrogène à grande échelle pose encore de redoutables défis au niveau de la production, du stockage et de la distribution. Tout en étant un des éléments les plus abondants de la planète - il suffit de rappeler qu’il est présent dans l’eau -, il n’est pas disponible à l’état pur dans la nature. Le défi consiste donc à l’extraire. Aujourd’hui, 99 % de la production mondiale se fait à partir de gaz naturel, le méthane, par un processus qui nécessite des quantités d’énergie considérables et libère du gaz carbonique (CO2). Seule une très faible quantité est produite par électrolyse, un procédé qui consiste à scinder l’eau (H20) en hydrogène et en oxygène, en utilisant du courant électrique.

Si l’hydrogène devait représenter une proportion notable des besoins énergétiques mondiaux, par exemple 20 % en 2050, les capacités de production devraient être multipliées par un facteur de l’ordre de 25. Aujourd’hui en effet, il est surtout utilisé comme matière de base par l’industrie chimique et pétrochimique. Sa production représente 1,5 % seulement de la production mondiale d’énergie primaire.

Pour être économiquement et écologiquement rentable, l’électricité utilisée doit être bon marché et sans émission de CO2, c’est-à-dire produite à partir de barrages hydrauliques, d’éoliennes, de centrales solaires ou de centrales nucléaires. En effet, si elle provient de centrales thermiques fonctionnant avec des combustibles fossiles, la production d’hydrogène redevient source de gaz à effet de serre.

De son côté, Le professeur Jan Augustynski, de l’Université de Genève, cherche à extraire de l’hydrogène de l’eau en utilisant uniquement l’énergie solaire. L’utilisation des électrodes sensibles à la lumière permet de scinder l’eau en hydrogène et oxygène en utilisant moins d’énergie électrique que lors d’une électrolyse classique. Ce complément d’énergie est fourni par une cellule solaire faisant également partie du dispositif. Reste encore à améliorer le rendement d’un tel système pour le rendre compétitif.

« Le gaz naturel, bien qu’écologiquement plus avantageux que le pétrole ou le charbon, n’est pas renouvelable et sera épuisé à plus ou moins long terme », souligne Klaus Yvon. "Il faut donc trouver d’autres méthodes pour produire de l’hydrogène."

Autre défi à relever, un moyen de stockage dense et sûr. Dans ce domaine, de nombreuses méthodes sont actuellement en concurrence. L’hydrogène peut être stocké sous forme liquide. Pour le liquéfier, il doit alors être refroidi à -250 degrés Celsius, ce qui nécessite une dépense d’énergie très importante. Bien qu’ayant une bonne capacité volumique, le stockage liquide, qui a fait ses preuves dans les domaines spatial et de l’aéronautique, comporte des risques pour un usage intensif par un large public.

Autre méthode : le stockage dans des bouteilles pressurisées. Ce procédé consomme également de l’énergie pour comprimer l’hydrogène, mais la technologie est aujourd’hui bien maîtrisée. Le remplissage d’un tel réservoir est très rapide et il existe déjà des réseaux de distribution du gaz sous pression en Europe. Toutefois, cette méthode reste insatisfaisante car, même comprimé à 700 bars, 1 litre d’hydrogène n’équivaut du point de vue énergétique qu’à 0,2 litre d’essence. Il y a également un risque de fuites, et donc de sécurité, lié à la volatilité de l’hydrogène, surtout à très haute pression.

Enfin, il est possible de stocker l’hydrogène sous forme solide, dans des matériaux métalliques qui jouent le rôle d’éponges. Celles-ci absorbent ce vecteur d’énergie à une pression donnée et le restituent à une pression légèrement inférieure. Leur pouvoir de stockage dans un volume donné dépasse de deux fois celui de l’hydrogène liquide. Un réservoir rempli de ces éponges prend donc très peu de place, est extrêmement sûr et ne consomme pratiquement pas d’énergie lors des cycles de charge et de décharge. Il a cependant un inconvénient : son poids et son prix élevé. "Pour ma tondeuse à gazon à hydrogène, l’alliage pèse à lui seul 7 kilos. Pour une voiture, il faudrait un réservoir de 250 kilos !" souligne Klaus Yvon.

En matière de production, l’avenir à moyen et à long terme appartient très probablement à la production solaire ou biologique d’hydrogène. En décomposant des matières organiques - ordures domestiques, végétaux ou bois -, la biomasse produit naturellement de l’hydrogène mêlé à du monoxyde de carbone. Aidée par la photosynthèse de bactéries ou d’algues, la photolyse de l’eau est la dernière voie prometteuse.

En Espagne, à Sotavento, une expérimentation de production de l’hydrogène va débuter en 2007 et vise à obtenir de l’hydrogène à partir de l’eau en utilisant l’énergie éolienne. Cette expérimentation doit valider la possibilité d’emmagasiner l’énergie éolienne en la convertissant en hydrogène stocké dans des réservoirs. Pour obtenir l’hydrogène, l’énergie générée par les aérogénérateurs sera conduite jusqu’à un électrolyseur. Cet appareil décompose l’eau à l’aide d’un courant électrique en dihydrogène et en oxygène. L’oxygène sera relâché dans l’atmosphère et l’hydrogène sera conservé et utilisé pour obtenir de l’électricité réinjectée ensuite dans les turbines éoliennes. Si les tests sont concluants, les parcs éoliens pourraient alors absorber les surplus d’énergie en cas de forte production et produire de l’électricité malgré l’absence de vent.

On pourrait aussi gérer plus précisément la production éolienne, afin de l’adapter à la demande du réseau. Autre voie prometteuse : la production d’hydrogène par certaines bactéries. C’est ainsi que des chercheurs néerlandais ont découvert la bactérie Thermotoga neapolitana, qui, associée à des composés biochimiques, est capable de se protéger contre la toxicité de l’oxygène tout en produisant de l’hydrogène à partir de sucres.

Mais, à plus long terme, c’est peut être d’une algue que viendra le salut. Partout dans le monde, des dizaines d’équipes de recherche travaillent sur « Chlamy », le diminutif pour Chlamydomonas reinhardtii, une algue verte unicellulaire très commune dont le code génétique est entièrement connu. En effet, pendant la photosynthèse, certaines espèces peuvent produire de l’hydrogène sous l’action des hydrogénasses. Des travaux récents ont montré qu’une culture de 850 ml de micro-algue peut produire jusqu’à 3 ml d’hydrogène par heure.

En outre, cette production est totalement propre puisque l’algue pousse grâce à l’énergie solaire uniquement. En suisse, Unitec, le bureau de transferts de technologies de l’Université de Genève, a déposé un brevet sur cette technologie et la société américaine Phytotransgenics a déjà pris une licence pour exploiter commercialement ce brevet. Mais de là à imaginer des fermes d’algues qui fourniraient de l’hydrogène en masse, il y a un grand pas et la plupart des chercheurs restent prudents car il faudra multiplier par trente le rendement actuel (autour de 0,3 %) pour que le procédé soit véritablement rentable.

Mais la grande erreur que pourrait commettre notre pays serait de s’enfermer dans une vision purement technologique de la question complexe du passage à l’hydrogène. La Commission a publié, le 9 janvier, une étude prospective intitulée WETO-H2). Cette étude, effectuée par des scientifiques en France, en Belgique, aux Pays-Bas, au Royaume-Uni et en Pologne, ainsi que par le Centre commun de recherche de la Commission, élabore une projection de référence du système énergétique mondial à l’horizon 2050 ainsi que deux scénarios additionnels, à savoir un scénario sous contrainte carbone et un scénario projetant le développement de l’hydrogène.

Dans le scénario de référence, la consommation mondiale d’énergie double d’ici 2050. Les approvisionnements en pétrole et en gaz atteignent un plateau, c’est-à-dire qu’il n’y a pas de pic en ce qui concerne le pétrole, ni une offre abondante de pétrole et de gaz bon marché.

Les pays en développement représentent les deux-tiers de la consommation mondiale d’énergie et on assiste à un retour du charbon comme source d’énergie importante pour la production d’électricité. Dans ce scénario de référence, les niveaux mondiaux d’émissions de CO2 seront supérieurs à ceux jugés supportables en Europe, c’est-à-dire que les températures à la surface du globe augmenteront en moyenne de plus de 2°C par rapport aux niveaux de l’époque préindustrielle, bien qu’en Europe les niveaux d’émissions seront de 10 % inférieurs aux niveaux actuels et que 70 % de l’électricité sera produite à partir de sources autres que le charbon (sources d’énergie renouvelables, nucléaire et piégeage et stockage du dioxyde de carbone).

Le scénario prévoyant une restriction des émissions de carbone envisage des politiques beaucoup plus ambitieuses en la matière, tout d’abord dans les pays industrialisés, puis dans les pays en développement. Il s’appuie également sur une adoption accélérée des sources d’énergie renouvelables et du nucléaire et sur des progrès des technologies énergétiques.

Le scénario s’appuyant sur le développement de l’hydrogène part de l’hypothèse que de nouvelles avancées permettront d’augmenter la rentabilité des technologies utilisant l’hydrogène et de décupler la production d’hydrogène (dont 90 % à partir de sources autres que le charbon) entre 2030 et 2050. Dans ce scénario, l’hydrogène fournit environ un tiers de l’énergie consommée dans le secteur des transports.

On le voit, la généralisation de l’hydrogène comme principal vecteur énergétique ne représente pas seulement un défi techno-industriel majeur mais aussi, et je serais tenté de dire surtout, un défi politique et social car la place qu’occupera l’hydrogène, d’ici 25 à 30 ans, dans notre paysage énergétique dépend au moins autant de la volonté politique nationale et européenne sur le long terme que des progrès techniques à venir.

Face à la menace sans précédent pour l’humanité du réchauffement climatique, essentiellement lié à l’utilisation intensive des sources d’énergie fossiles, nous devons changer d’échelle temporelle et préparer et mettre en oeuvre dès à présent des programmes et des politiques économiques, fiscales, industrielles et technologiques beaucoup plus ambitieuses et volontaires afin que l’ensemble des sources et vecteurs d’énergies renouvelables -dont évidemment l’hydrogène comme clef de voûte- se soient pour l’essentiel substitués au pétrole et au gaz avant le milieu de ce siècle. Il faut en effet savoir qu’au rythme où l’humanité consomme le pétrole -aujourd’hui 4 milliards de tonnes par an mais 6 milliards de tonnes par an en 2025- nous aurons totalement épuisé l’ensemble de nos réserves pétrolières en 2080 !

Certes, l’effort économique, technologique et financier pour arriver à cet objectif est gigantesque et sera de toute façon difficile à atteindre mais nous devons dire à nos concitoyens qu’il coûtera toujours infiniment moins cher -comme l’a montré magistralement le récent rapport Stern et comme le confirme la dernière et alarmante étude du Groupe intergouvernemental sur l’évolution du climat- que l’attentisme ou les demi-mesures que trop d’états continuent de préconiser. L’avenir n’est jamais écrit et le pire n’est jamais sûr mais c’est dans les mois et les années qui viennent que va se jouer le sort de notre planète pour des siècles ou plus. A nous d’en être pleinement conscients et de préparer ce changement de civilisation au lieu de le subir.

www.tregouet.org

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