PRODUCTION, STOCKAGE ET UTILISATION DE L’HYDROGENE

Introduction

L’hydrogène présente certaines caractéristiques physico-chimiques avantageuses d’un point de vue énergétique. C’est un gaz très léger (masse volumique = 0,09 kg/m3 , à 0°C) qui possède un pouvoir calorifique très élevé (33,3 kWh/kg, contre environ 14 kWh/kg pour le méthane ; données PCI). Il est inodore, incolore, non polluant. Dans le contexte énergétique actuel, les propriétés physique et environnementale de l’hydrogène font de lui un vecteur énergétique de qualité en association avec l’électricité. Le XXIe siècle pourrait voir la naissance d’une économie « électricité-hydrogène ». Bien qu’il soit très abondant sur Terre (via la ressource en eau planétaire), l’hydrogène n’existe pas à l’état naturel. Actuellement, sa production est essentiellement effectuée par reformage catalytique d’hydrocarbures (principalement gaz naturel). Une très faible proportion d’hydrogène est produite par électrolyse de l’eau (≤1% de la production mondiale). Cette voie de production est envisagée lorsqu’une très grande pureté d’hydrogène est souhaitée ou pour la synthèse de petites quantités. Elle constitue, en outre, une réponse environnementale propre à la problématique énergétique mondiale. La production mondiale d’hydrogène était estimée par l’Agence Internationale de l’Energie à 500 milliards de Nm3 en 2001 dont 589,9 millions de Nm3 pour la France [III-8]. La quasitotalité de l’hydrogène produit est utilisée dans l’industrie chimique et pétrochimique (synthèse de l’ammoniac et du méthanol, désulfuration des hydrocarbures). Seulement 1% de la production d’hydrogène est utilisée comme vecteur énergétique principalement dans le cadre des applications spatiales. Ce chapitre a pour objet de détailler les principaux procédés de production de l’hydrogène et les différentes utilisations de ce gaz, en insistant sur les applications énergétiques. L’Hydrogène électrolytique comme moyen de stockage d’électricité pour systèmes photovoltaïques isolés.

Production par électrolyse de l’eau

Nicholson et Carlisle sont les premiers à produire de l’hydrogène et de l’oxygène par électrolyse de l’eau en 1800. En 1832, Faraday établit les lois quantitatives de l’électrolyse. Cependant, le premier électrolyseur n’est commercialisé qu’un siècle plus tard, en 1902 par la société Oerlikon Engineering Company [III-7]. En 1939, le premier électrolyseur dédié à la production d’oxygène à grande échelle (production des gaz > 104 m3 /h) est installé au Canada. Il est de technologie alcaline à plaques monopolaires. Il sera ensuite reconverti pour produire de l’hydrogène pour la fabrication d’engrais. En 1948, le fabricant Lurgi apporte une innovation majeure en développant le procédé d’électrolyse sous pression, ce qui permettait de s’affranchir d’une unité de compression pour le stockage des gaz produits et de fonctionner à plus haute température. La première installation de ce type est mise en place au Pérou à Cuzco en 1958. Le Tableau III-1 cidessous résume les caractéristiques de ces différents électrolyseurs. Implantation Fabricant Année d’installation Production d’hydrogène (Nm3 /h) Colombie Britannique, Canada Cominco 1939 17000 Nangal, Inde De Nora 1958 26000 Assouan, Egypte Demag 1960 / 1977 41000 / 21600 Rjukan, Norvège Norsk Hydro 1927 / 1965 90000 Cuzco, Pérou Lurgi 1958 5000 Tableau III-1 : principales installations d’hydrogène à forte capacité en service en 1975. Depuis les années 60, le champ d’application de l’électrolyse s’est élargi, incitant les industriels et la recherche à développer des technologies innovantes. L’Hydrogène électrolytique comme moyen de stockage d’électricité pour systèmes photovoltaïques isolés 

Principe général de l’électrolyse de l’eau

L’électrolyse de l’eau est une réaction électrochimique de décomposition de l’eau en hydrogène et en oxygène. Elle est rendue possible par le passage d’un courant continu à travers deux électrodes immergées dans un électrolyte liquide ou solide. III.2.1.a Tension de cellule 2 2 1 H2Oliq →H2+ O ∆H°(298K)=286kJ /mol ∆G°(298K)=237kJ /mol équation III-1 III.2.1.a.i Tension réversible et tension thermoneutre La tension minimale ou réversible Erev [III-8] d’une cellule d’électrolyseur correspond à l’énergie libre (∆G) nécessaire pour décomposer la molécule d’eau. Ces deux grandeurs sont reliées par la formule suivante : nF Erev ∆G° = Erev : voltage réversible pour électrolyser l’eau (V) ∆G : énergie libre de la réaction d’électrolyse (J/mol) F : constante de Faraday ; F = 96487 C/mol n : nombre d’électrons échangés lors de la réaction (ici n=2) Erev = 1,23 V à 298K La tension thermoneutre (Eth) correspond au fonctionnement isotherme de l’électrolyseur. Cette tension ne dépend que faiblement de la température. Elle est donnée par la formule suivante : nF Eth ∆H° = Eth : tension thermoneutre (V) ∆H : enthalpie libre de la réaction d’électrolyse (J/mol) F : constante de Faraday (C/mol) n : nombre d’électrons échangés lors de la réaction Eth = 1,48 V à 298K On constate que deux types de fonctionnement sont possibles en fonction de la tension de l’électrolyseur : • Erev < U < Eth : un apport extérieur de chaleur est nécessaire aux cellules d’électrolyse. • U > Eth : la chaleur est alors produite par la réaction. L’Hydrogène électrolytique comme moyen de stockage d’électricité pour systèmes photovoltaïques isolés Chapitre III : Production, stockage et utilisation de l’Hydrogène 36 III.2.1.a.ii Tension pratique Pratiquement, la tension d’électrolyse est toujours supérieure à la tension réversible à cause de l’ensemble des irréversibilités présentes dans le procédé. La Figure III-1 présente de manière schématique l’ensemble de ces irréversibilités.