Mémento de l'hydrogène fiche 4 5 2

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Mémento de l’Hydrogène Fiche 4.5.2 LA DISTRIBUTION GENERALISEE DE L’HYDROGENE I – Introduction II – Distribution aux autres modes de transport que l’automobile, III – Distribution pour l’habitat et tout secteur d’activité, production décentralisée IV - Bilan énergétique de la distribution de l’hydrogène V - Conclusion I – Introduction Si un jour l’utilisation de l’hydrogène s’étend à l’usage domestique, industriel et agricole, le problème (1) de sa distribution prendra beaucoup d’importance dans un contexte d’une «économie de l’hydrogène » qui, (2)pour certains visionnaires, permettrait une « nouvelle mondialisation » voire nous conduirait vers « la (3) civilisation hydrogène » . En fait, des facteurs déterminants pourraient conduire à l’avènement de cette « ère de l’hydrogène »: les progrès scientifiques et technologiques autour de l’hydrogène vecteur énergétique, l’épuisement des réserves de combustibles fossiles, les effets de plus en plus néfastes de la pollution urbaine et des gaz à effet de serre et peut être aussi la situation engendrée par le contexte géopolitique. A un demi-siècle, un siècle, voire plus, ces échéances ne sont-elles pas inéluctables ? II – Distribution pour les autres modes de transport que l’automobile Hormis les véhicules automobiles, les modes de transport plus lourds, ferroviaire, fluvial, maritime, ou aérien, peuvent aussi utiliser de l’hydrogène.
Publié le : jeudi 21 juillet 2011
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Fiche 4.5.2 – reçu le : mai 2003
Révision du
Source : AFH2 – Pierre Malbrunot
Mémento de l’Hydrogène
Fiche 4.5.2
LA DISTRIBUTION GENERALISEE DE L’HYDROGENE
I – Introduction
II – Distribution aux autres modes de transport que l’automobile,
III – Distribution pour l’habitat et tout secteur d’activité, production décentralisée
IV - Bilan énergétique de la distribution de l’hydrogène
V - Conclusion
I – Introduction
Si un jour l’utilisation de l’hydrogène s’étend à l’usage domestique, industriel et agricole, le problème
de sa distribution prendra beaucoup d’importance dans un contexte d’une «économie de l’hydrogène »
(1)
qui,
pour certains visionnaires, permettrait une « nouvelle mondialisation »
(2)
voire nous conduirait vers « la
civilisation hydrogène »
(3)
. En fait, des facteurs déterminants pourraient conduire à l’avènement de cette « ère
de l’hydrogène »: les progrès scientifiques et technologiques autour de l’hydrogène vecteur énergétique,
l’épuisement des réserves de combustibles fossiles, les effets de plus en plus néfastes de la pollution urbaine et
des gaz à effet de serre et peut être aussi la situation engendrée par le contexte géopolitique. A un demi-siècle,
un siècle, voire plus, ces échéances ne sont-elles pas inéluctables ?
II – Distribution pour les autres modes de transport que l’automobile
Hormis les véhicules automobiles, les modes de transport plus lourds, ferroviaire, fluvial, maritime, ou
aérien, peuvent aussi utiliser de l’hydrogène. Ils fonctionnent à l’aide d’une pile à combustible ou d’un moteur
thermique qui, lui, est probablement la seule solution pour l’aviation (cf. fiche 5-1-2). Dans tous ces cas, le
stockage à bord d’hydrogène à l’état liquide est le mieux adapté parce qu’il correspond à la plus grande
concentration d’énergie disponible. La distribution dans ce cas serait à envisager auprès de grosses unités de
production (reformage de combustibles fossiles, cf. fiche 3.1, dissociation de l’eau, cf. fiche 3.2.2,
transformation de la biomasse, cf. fiche 3.3.1) ou encore en liaison directe avec elles grâce à un réseau de
transport de cet hydrogène liquide (cf. fiche 4.3) vers des stations spécialisées dans cette distribution particulière.
III - Distribution pour l’habitat et tout secteur d’activité, production décentralisée
Une distribution généralisée de l’hydrogène énergie pour un usage domestique, industriel ou agricole,
c'est à dire autre que pour le transport, est à ce jour d’autant plus hypothétique que de tels usages de
l’hydrogène sont quasiment inexistants.
En premier lieu, concernant la production de chaleur pour une utilisation directe
*
: chauffage individuel
ou collectif ou encore processus industriel réclamant un élévation de température, la combustion directe de
l’hydrogène serait la plus judicieuse puisque très énergétique (120 MJ/kg au lieu de 50MJ/kg pour le gaz naturel)
et non polluante. En fait, cette combustion ne produit que de l’eau si des précautions sont prises au niveau de la
*
c’est à dire ne devant pas être transformée en énergie électrique ou mécanique.
Fiche 4.5.2 – reçu le : mai 2003
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Source : AFH2 – Pierre Malbrunot
flamme afin d’éviter la formation d’oxydes d’azote. Reste à mettre au point des brûleurs à hydrogène équipant
des chaudières fiables et sûres. L’approvisionnement domestique par des gazoducs se terminant par un réseau de
canalisations vient à l’esprit, ne serait ce pas reprendre la distribution du gaz de ville pour l’éclairage et le
chauffage installée à la fin du XIX
ème
et au début du XX
ème
siècle, un gaz qui, il faut le rappeler, était composé
pour moitié d’hydrogène !
D’où proviendrait cet hydrogène ? A l’évidence de grosses centrales qu’elles soient à reformage de gaz
naturel ou de produits pétroliers, à énergie nucléaire ou encore à transformation de la biomasse. Mais distribuer
l’hydrogène dans ce contexte pose le problème de son transport en très grosses quantité avec les dépenses
d’énergie afférentes (cf. § IV qui suit). Pourquoi alors ne pas renoncer aux schémas actuels de centralisation et
de distribution généralisée de l’énergie ? On peut très bien imaginer des générateurs diversifiés utilisant des
énergies renouvelables pour les zones périurbaines et campagnardes: maisons individuelles et rurales, entreprises
artisanales et agricoles etc. Une des possibilités est le recours à l’énergie solaire grâce à des capteurs
photovoltaïques placés sur les toitures des constructions.
A titre d’exemple on peut remarquer que le toit d’une maison offre une surface d’au moins 100 à 150
m
2
. Ainsi avec un rendement de 0.1kW/m
2
et un ensoleillement moyen du nord au sud de la France de 1 200 à 1
800 heures par an ce sont 12 000 à 27 000 kWh d’énergie électrique disponibles en une année dans chaque
habitation. Transformée en hydrogène par électrolyse de l’eau avec un rendement moyen de 65% cela
correspond à une énergie de 8 à 16 000 kWh par an. Dans le cas de bâtiments d’exploitation agricole ou
d’entreprise recouverts de plus grandes toitures, la quantité d’hydrogène récupérable est en proportion. Resterait
à souhaiter un « design » industriel suffisamment créatif pour que ces toitures en capteurs solaires soient
esthétiquement acceptables mais en cela les toits pentus en ardoises ou en lauzes de certaines de nos régions sont
peut-être des modèles ?
Faut-il envisager dans chaque maison un électrolyseur et une installation de compression et de
stockage d’hydrogène? Peut être plus faciles à imaginer sont de petites centrales de production et de stockage à
partir de la mise en commun de l’électricité produite par les capteurs de plusieurs maisons voisines. Quant à cet
hydrogène obtenu pourquoi pas en prélever une partie pour les véhicules automobiles très utilisés dans ces zones
où habitations et entreprises sont dispersées ? Une autre partie peut même, si besoin est, être retransformée en
électricité à l’aide de piles à combustible.
Malheureusement le coût actuellement très élevé des capteurs photovoltaïques fait que la mise en oeuvre
de telles réalisations à base d’électricité solaire est de nos jours peu réaliste ou tout au moins prématuré.
Pour les régions ventées ou riches en cours d’eau un schéma du même type pourrait être élaboré à partir
d’éoliennes ou de turbines hydroélectriques. Mais là, vu la puissance de ces génératrices – un MW ou plus – ce
sont de petits centrales regroupant plusieurs usagers qui viennent à l’esprit. Et ce d’autant que, bruyantes et
encombrantes, éoliennes ou turbines sont à implanter à l’écart des habitations et des lieux d’activité.
L’hydrogène produit distribué par canalisation serait brûlé, utilisé dans les véhicules ou transformé en
électricité. A noter enfin que dans les coûts de telles réalisations tout en restant très élevés sont moins
rédhibitoires que ceux évoqués dans le cas précédent
Face à une répartition de l’hydrogène énergie que faire des réseaux actuels de distribution de
l’électricité ? A l’évidence il faut les conserver car ils permettraient, dans un premier temps, la transition vers
cette technologie hydrogène pour ensuite être utile vu la complémentarité hydrogène-électricité au travers de
l’électrolyse et de la pile à combustible.
IV – Bilan énergétique de la distribution de l’hydrogène
Ce paragraphe, corollaire important de la distribution, est à quelques détails près identique à celui qui
porte le même titre dans la fiche précédente 4.5.1 sur la distribution de l’hydrogène pour l’automobile.
Distribuer l’hydrogène entraîne la dépense d’une certaine quantité d’énergie, c’est là une donnée de
base de toute prospection économique sur l’utilisation de l’hydrogène énergie. Eliasson et Bossel
(4)
ont estimé
ces dépenses d’énergie
et les ont comparées à celles qui sont nécessaires à la distribution des vecteurs
énergétiques plus traditionnels.
A la base est la production. Ainsi obtenir de l’hydrogène à partir du vaporeformage de combustibles
riches en hydrogène comme le sont le méthane ou le méthanol se fait avec les meilleurs rendements
énergétiques
*
qui peuvent atteindre 90% (les pertes étant essentiellement thermiques). Les auteurs remarquent
alors que la quantité totale de dioxyde de carbone émise est supérieure lorsqu’on a recours à l’hydrogène mais ne
*
rapport de l’énergie disponible dans l’hydrogène obtenu par rapport à l’énergie dépensée.
Fiche 4.5.2 – reçu le : mai 2003
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mentionnent pas que dans ce cas ces rejets sont concentrés en un seul lieu et peuvent être traités par capture et
séquestration opérations impossibles avec une utilisation diversifiée des autres combustibles.
En revanche, pour l’électrolyse, Eliasson et Bossel avancent un rendement au mieux de 75%, valeur un peu
faible car il peut aller jusqu’à 80 voire 85%.
Vient ensuite le « conditionnement » de l’hydrogène soit sous forme de gaz comprimé soit sous forme
de liquide,il entraîne une dépense supplémentaire d’énergie. Concernant la compression adiabatique, la perte
correspondante en énergie disponible est de 10 à 15% entre 20 et 80 MPa alors qu’elle n’est que de quelques
pour-cent pour le méthane dans les mêmes conditions (cf. fiche 4-2). Pour liquéfier l’hydrogène, l’énergie
requise est encore plus importante surtout pour les petits liquéfacteurs (cf. fiche 4-3). Toujours évaluée en perte
de pouvoir énergétique cette dépense d’énergie va de 150% de perte pour les unités produisant quelques kg
d’hydrogène liquide par heure à seulement 30% pour celles produisant au moins 1 T/heure. Le stockage dans
les hydrures parce que peu développé et correspondant à beaucoup de cas particuliers ne permet pas d’avancer
des évaluations chiffrées sur les quantités d’énergie qu’il requiert. Mais sachant que l’hydrogène doit au
préalable être comprimé et que pour le récupérer l’hydrure doit être chauffé, la quantité d’énergie à mettre en
jeu sera intermédiaire entre celle que demande la compression et la liquéfaction.
Concernant le transport par route Eliasson et Bossel n’examinent que le cas du transport de l’hydrogène
comprimé. En raison du poids élevé des réservoirs haute pression et de la faible densité de l’hydrogène, un
même camion de 40 T transporte dix fois moins d’hydrogène que de méthane et près de 80 fois moins d’essence.
La quantité d’énergie pour le transport étant proportionnelle à la distance parcourue, le résultat est que pour 500
km l’énergie dépensée est équivalente à celle transportée ! Des conditions peu réalistes qui ne sont guère
améliorées par le recours à des camions à pile à combustible. Seul un camionnage d’hydrogène à l’état liquide
emmenant une quantité cinq fois plus importante avec le même véhicule semblerait acceptable. En fait, pour
transporter du gaz comprimé c’est le gazoduc qui est le plus raisonnable car il demande une dépense d’énergie
pour 150 km de seulement 1.4% du pouvoir énergétique de l’hydrogène transporté, énergie consommée par
les pompes hautes pression placées le long du réseau pour assurer un débit constant du gaz.
La production de l’hydrogène à partir de l’électricité réclame de l’énergie pour l’électrolyse de l’eau et
pour la compression du gaz obtenu. Les auteurs, là encore, l’ont évaluée en perte de pouvoir énergétique. Elle
varie de 75% à 40% pour des quantités d’hydrogène produites allant de 1 700 à 34 000 kg
par jour
moyennant des alimentations électriques de 5 à 81 MW.
A la lumière des bilans énergétiques de la distribution, force est de constater que l’hydrogène doit être
transporté le moins possible et surtout pas par route. Pour les grosses quantités, le transport sous la forme liquide
est envisageable mais à condition d’utiliser plutôt le chemin de fer et/ou les voies d’eau. En fait, c’est le
gazoduc qui s’avère être la meilleure solution. Pour la production à partir de l’électrolyse dans des petites
unités, la dépense relativement importante en énergie qu’elle demande privilégie le choix des énergies
renouvelables, solaire ou éolienne, qui sont non polluantes et gratuites. Les productions moins exigeantes en
énergie comme celles issues du vaporeformage ont, elles, intérêt à être centralisées en de grosses installations et
ce d’autant, qu’il est alors plus facile d’envisager de leur adjoindre des dispositifs de capture et de séquestration
du dioxyde de carbone qui résulte de ce procédé de production.
V – Conclusion
« La distribution généralisée de l’hydrogène énergie », il faudrait plutôt dire « L’utilisation généralisée de
l’hydrogène énergie » relève encore de la fiction. Certes de nombreuses solutions peuvent être imaginées mais
les réalités technologiques et économiques d’aujourd’hui les tempèrent de beaucoup, il ne faudrait pas qu’elles
les condamnent. Le temps des démonstrations et de la montée en puissance d’une possible industrie de
l’hydrogène énergie est encore devant nous.
Fiche 4.5.2 – reçu le : mai 2003
Révision du
Source : AFH2 – Pierre Malbrunot
Références
1)
«National Hydrogen Energy Roadmap » (National Energy Roadmap Workshop, Washington, April 2–3,
2002), ed. United States Department of Energy, Nov. 2002.
2)
« L’économie hydrogène », Jeremy Rifkin, Editions La Découverte, Paris 2002.
3)
«From hydrogen economy to hydrogen civilization», V. A. Golstov and T. N. Veziroglù,
International
Journal of Hydrogen Energy
,
26
, 909 – 915 (2001).
4)
« The Future of the Hydrogen Economy Brigh or Bleak ?», B. Eliasson and U. Bossel,
Fuel Cell World
,
Lucerne , July 5, 2002.
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