L’économie de l’hydrogène est un système proposé de fourniture d’énergie utilisant de l’hydrogène. Le terme économie de l’hydrogène a été inventé par John Bockris lors d’une conférence qu’il a donnée en 1970 au Centre technique de General Motors (GM). Le concept avait été proposé précédemment par le généticien JBS Haldane.
Les partisans d’une économie de l’hydrogène préconisent l’hydrogène comme carburant potentiel de la force motrice (y compris les voitures et des bateaux) et de la force auxiliaire de bord, de la production fixe (par exemple, pour les besoins énergétiques des bâtiments) et comme moyen de stockage de l’énergie (par exemple, pour l’interconversion à partir de l’énergie électrique excédentaire générée). L’hydrogène moléculaire du type qui peut être utilisé comme carburant ne se produit pas naturellement dans des réservoirs pratiques; néanmoins, il peut être généré par reformage à la vapeur d’hydrocarbures, électrolyse de l’eau ou par d’autres méthodes.
Un pic d’attention pour le concept au cours des années 2000 a été décrit à plusieurs reprises comme un battage publicitaire par certains critiques et partisans de technologies alternatives. Une résurgence du vecteur énergétique est en cours, notamment avec la création du Conseil Hydrogène en 2017. Plusieurs constructeurs ont maintenant commercialisé des voitures à pile à combustible à hydrogène, des constructeurs tels que Toyota et des groupes industriels chinois prévoyant d’augmenter le nombre de voitures des centaines de milliers au cours de la prochaine décennie.
Raisonnement
L’Université du Michigan a proposé une économie de l’hydrogène pour résoudre certains des effets négatifs de l’utilisation de combustibles à base d’hydrocarbures lorsque le carbone est rejeté dans l’atmosphère (sous forme de dioxyde de carbone, monoxyde de carbone, hydrocarbures non brûlés, etc.). L’intérêt moderne pour l’économie de l’hydrogène découle généralement d’un rapport technique rédigé en 1970 par Lawrence W. Jones de l’Université du Michigan.
Dans l’économie actuelle des hydrocarbures, les transports sont principalement alimentés par le pétrole. La combustion d’hydrocarbures dégage du dioxyde de carbone et d’autres polluants. L’offre de ressources en hydrocarbures économiquement utilisables dans le monde est limitée et la demande en hydrocarbures augmente, en particulier en Chine, en Inde et dans d’autres pays en développement.
Les partisans d’une économie de l’hydrogène à l’échelle mondiale soutiennent que l’hydrogène peut être une source d’énergie plus propre pour les utilisateurs finaux, en particulier dans les transports, sans dégagement de polluants (tels que des particules) ou de dioxyde de carbone au moment de l’utilisation finale. Une analyse de 2004 affirmait que « la plupart des voies de la chaîne d’approvisionnement en hydrogène dégageraient beaucoup moins de dioxyde de carbone dans l’atmosphère que l’essence utilisée dans les véhicules électriques hybrides » et que des réductions significatives des émissions de dioxyde de carbone seraient possibles si les méthodes de captage ou de séquestration du carbone étaient utilisées. utilisé sur le site de production d’énergie ou d’hydrogène.
L’hydrogène a une densité d’énergie élevée en poids mais une faible densité d’énergie en volume. Même en cas de forte compression ou de liquéfaction, la densité volumique d’énergie en volume ne représente que le quart de celle de l’essence, bien qu’elle soit environ trois fois supérieure à celle de l’essence ou du gaz naturel. Un moteur à combustion interne à cycle Otto fonctionnant à l’hydrogène aurait un rendement maximal d’environ 38%, soit 8% supérieur à celui d’un moteur à combustion interne à essence.
La combinaison de la pile à combustible et du moteur électrique est deux à trois fois plus efficace qu’un moteur à combustion interne. Les coûts en capital des piles à combustible ont considérablement diminué au cours des dernières années, avec un coût modélisé de 50 $ / kW cité par le Département de l’énergie.
Les obstacles techniques précédents comprenaient des problèmes de stockage d’hydrogène et l’exigence de pureté de l’hydrogène utilisé dans les piles à combustible, comme dans la technologie actuelle, une pile à combustible en fonctionnement nécessite une pureté de l’hydrogène atteignant 99,999%. La technologie de conversion des moteurs à hydrogène pourrait être considérée comme plus économique que les piles à combustible.
Marché actuel de l’hydrogène
La production d’hydrogène est une industrie importante et en pleine croissance depuis 2004. Au niveau mondial, quelque 57 millions de tonnes d’hydrogène, soit environ 170 millions de tonnes d’équivalent pétrole, ont été produites en 2004. Le taux de croissance est d’environ 10% par an. Aux États-Unis, la production de 2004 a été d’environ 11 millions de tonnes métriques, soit un flux de puissance moyen de 48 gigawatts. (À titre de comparaison, la production électrique moyenne en 2003 était d’environ 442 GW.) En 2005, la valeur économique de tout l’hydrogène produit dans le monde s’élevait à environ 135 milliards de dollars par an.
Aujourd’hui, l’hydrogène a deux utilisations principales. Environ la moitié est utilisée dans le procédé Haber pour produire de l’ammoniac (NH3), qui est ensuite utilisé directement ou indirectement comme engrais. Parce que la population mondiale et l’agriculture intensive utilisée pour la soutenir augmentent, la demande en ammoniac augmente. L’ammoniac peut être utilisé comme moyen indirect plus sûr et plus facile de transporter l’hydrogène. L’ammoniac transporté peut ensuite être reconverti en hydrogène chez le bowser par une technologie à membrane.
L’autre moitié de la production actuelle d’hydrogène est utilisée pour convertir des sources de pétrole lourd en fractions plus légères pouvant être utilisées comme combustibles. Ce dernier processus est appelé hydrocraquage. L’hydrocraquage représente un domaine de croissance encore plus vaste, car la hausse des prix du pétrole incite les sociétés pétrolières à extraire les matières premières les plus pauvres, telles que les sables bitumineux et les schistes bitumineux. Les économies d’échelle inhérentes au raffinage du pétrole à grande échelle et à la fabrication d’engrais rendent possible la production sur site et l’utilisation « captive ». De plus petites quantités d’hydrogène « marchand » sont également fabriquées et livrées aux utilisateurs finaux.
Si l’énergie nécessaire à la production d’hydrogène était disponible (énergie éolienne, solaire, à fission ou à fusion, etc.), son utilisation pour la production d’hydrocarbures synthétiques pourrait multiplier par cinq le taux d’utilisation captif de l’hydrogène. l’hydrocraquage est d’environ 4 Mt par an. On estime que 37,7 Mt / an d’hydrogène seraient suffisants pour convertir suffisamment de charbon national en combustibles liquides pour mettre fin à la dépendance des États-Unis vis-à-vis des importations de pétrole étranger, et moins de la moitié de ce chiffre pour mettre fin à la dépendance au pétrole du Moyen-Orient. La liquéfaction du charbon produirait des émissions de dioxyde de carbone nettement inférieures à celles du système actuel de combustion du pétrole fossile, mais éliminerait les vulnérabilités politiques et économiques inhérentes aux importations de pétrole des États-Unis avant la commercialisation du pétrole serré en Amérique du Nord.
En 2004 et 2016, 96% de la production mondiale d’hydrogène provenait de combustibles fossiles (48% de gaz naturel, 30% de pétrole et 18% de charbon); l’électrolyse de l’eau ne représente que 4%. La répartition de la production reflète les effets des contraintes thermodynamiques sur les choix économiques: parmi les quatre méthodes d’obtention de l’hydrogène, la combustion partielle du gaz naturel dans une centrale à cycle combiné au gaz naturel offre la voie chimique la plus efficace et la plus grande valorisation. d’énergie thermique utilisable. (besoin de référence)
L’important marché et les prix en forte hausse des combustibles fossiles ont également suscité un vif intérêt pour les autres moyens moins coûteux de production d’hydrogène. Depuis 2002, la plus grande partie de l’hydrogène est produite sur le site et coûte environ 0,70 USD / kg. Si elle n’est pas produite sur le site, le coût de l’hydrogène liquide varie entre 2,20 USD / kg et 3,08 USD / kg.
Les piles à combustible comme alternative à la combustion interne
L’un des principaux atouts de l’économie de l’hydrogène est que le carburant peut remplacer le carburant fossile utilisé dans les moteurs à combustion interne et les turbines comme moyen principal de convertir l’énergie chimique en énergie cinétique ou électrique; éliminant ainsi les émissions de gaz à effet de serre et la pollution de ce moteur. Bien que l’hydrogène puisse être utilisé dans les moteurs à combustion interne conventionnels, les piles à combustible, étant électrochimiques, présentent un avantage d’efficacité théorique par rapport aux moteurs thermiques. Les piles à combustible coûtent plus cher à produire que les moteurs à combustion interne classiques.
Certains types de piles à combustible fonctionnent avec des hydrocarbures, alors que toutes peuvent fonctionner à l’hydrogène pur. Au cas où les piles à combustible deviendraient concurrentielles par rapport aux prix des moteurs à combustion interne et des turbines, les grandes centrales au gaz pourraient adopter cette technologie.
Le gaz hydrogène doit être distingué en tant que « qualité technique » (cinq neuf pur, 99,999%), qui convient à des applications telles que les piles à combustible, et « de qualité commerciale », qui contient des impuretés contenant du carbone et du soufre, mais pouvant être produit par le processus de reformation à la vapeur beaucoup moins cher. Les piles à combustible nécessitent de l’hydrogène de haute pureté, car les impuretés dégraderaient rapidement la durée de vie de la pile de piles à combustible.
Une grande partie de l’intérêt porté au concept d’économie de l’hydrogène est axée sur l’utilisation de piles à combustible pour alimenter les voitures électriques. Les piles à combustible à l’hydrogène actuelles souffrent d’un faible rapport poids / puissance. Les piles à combustible sont beaucoup plus efficaces que les moteurs à combustion interne et ne produisent pas d’émissions nocives. Si une méthode pratique de stockage de l’hydrogène est introduite et que les piles à combustible deviennent moins chères, elles peuvent être économiquement viables pour alimenter des véhicules à piles à combustible / batteries hybrides, ou des véhicules purement alimentés par des piles à combustible. La viabilité économique des véhicules à piles à combustible s’améliorera à mesure que les carburants à base d’hydrocarbures utilisés dans les moteurs à combustion interne deviennent plus coûteux, en raison de l’épuisement des réserves facilement accessibles ou de la prise en compte économique des incidences sur l’environnement par des mesures telles que les taxes sur le carbone.
D’autres technologies de piles à combustible basées sur l’échange d’ions métalliques (par exemple, les piles à combustible zinc-air) sont généralement plus efficaces pour la conversion d’énergie que les piles à combustible à l’hydrogène, mais l’utilisation généralisée de toute énergie électrique → énergie chimique → les systèmes d’énergie électrique nécessiterait la production de l’électricité.
Depuis le discours sur l’état de l’Union de 2003, lorsque la notion d’économie de l’hydrogène a pris de l’importance aux États-Unis, il y a eu un chœur constant de opposants. Plus récemment, en 2013, Lux Research, Inc. avait publié un rapport dans lequel il était écrit: « Le rêve d’une économie de l’hydrogène … n’est pas plus proche. » Il a conclu que « le coût en capital, et non l’approvisionnement en hydrogène, limitera l’adoption à 5,9 GW » d’ici 2030, offrant « un obstacle presque insurmontable à l’adoption, sauf dans des applications de niche ». Selon l’analyse de Lux, le marché des équipements fixes PEM atteindra 1 milliard de dollars d’ici 2030, tandis que le marché des véhicules, y compris les chariots élévateurs, atteindra 2 milliards de dollars.
Utilisation comme carburant automobile et efficacité du système
Une comptabilisation de l’énergie utilisée lors d’un processus thermodynamique, appelée bilan énergétique, peut être appliquée aux carburants automobiles. Avec la technologie actuelle, la fabrication d’hydrogène par reformage à la vapeur peut être réalisée avec un rendement thermique de 75 à 80%. Une énergie supplémentaire sera nécessaire pour liquéfier ou comprimer l’hydrogène et le transporter à la station-service par camion ou par pipeline. L’énergie devant être utilisée par kilogramme pour produire, transporter et fournir de l’hydrogène (c’est-à-dire sa consommation d’énergie des puits à la citerne) est d’environ 50 MJ, en utilisant la technologie disponible en 2004. En soustrayant cette énergie de l’enthalpie d’un kilogramme d’hydrogène, est de 141 MJ, et en divisant par l’enthalpie, on obtient un rendement d’énergie thermique d’environ 60%. À titre de comparaison, l’essence nécessite moins d’énergie, par gallon, à la raffinerie, et il faut comparativement peu d’énergie pour la transporter et la stocker en raison de sa densité énergétique élevée par gallon à la température ambiante. Du réservoir au réservoir, la chaîne d’approvisionnement en essence est efficace à environ 80% (Wang, 2002). Une autre méthode d’alimentation en hydrogène basée sur un réseau serait d’utiliser l’électricité pour faire fonctionner des électrolyseurs. Environ 6% de l’électricité est perdue lors du transport sur des lignes électriques, et le processus de conversion du combustible fossile en électricité est à l’origine d’environ 33% d’efficacité. Ainsi, si l’efficacité est le facteur déterminant, il serait peu probable que les véhicules à hydrogène soient alimentés par une telle méthode. De fait, dans cette perspective, les véhicules électriques sembleraient être un meilleur choix. Cependant, comme indiqué ci-dessus, l’hydrogène peut être produit à partir d’un certain nombre de matières premières, de manière centralisée ou distribuée, ce qui offre des voies plus efficaces pour la production et la distribution du carburant.
Une étude de l’efficacité comparée des véhicules à hydrogène par rapport aux autres véhicules du système énergétique norvégien indique que les véhicules à pile à combustible à hydrogène (FCV) ont tendance à être environ trois fois moins efficaces que les véhicules électriques lorsque l’électrolyse est utilisée, avec de l’hydrogène. Les moteurs à combustion (ICE) sont à peine un sixième aussi efficaces. Même dans le cas où les piles à combustible à hydrogène tirent leur hydrogène de la transformation du gaz naturel plutôt que de l’électrolyse, et que les véhicules électriques sont alimentés par une centrale au gaz naturel, ils dépassent toujours les 35% à 25% (et seulement 13% pour le H2). LA GLACE). Cela se compare à 14% pour un moteur à combustion interne à essence, 27% pour un moteur à essence hybride à combustion interne et à 17% pour un moteur diesel à moteur à combustion interne, également sur une base puits à roues.
L’hydrogène a été qualifié de l’un des produits de remplacement de l’essence le moins coûteux et le plus coûteux en termes de réduction des gaz à effet de serre; d’autres technologies peuvent être moins coûteuses et plus rapidement mises en œuvre. Une étude approfondie de l’hydrogène dans les applications de transport a révélé qu ‘ »il existe des obstacles majeurs sur la voie à suivre pour réaliser la vision de l’économie de l’hydrogène; la voie ne sera ni simple ni directe ». Bien que Ford Motor Company et le français Renault-Nissan aient annulé leurs efforts de R & D sur les voitures à hydrogène en 2008 et 2009, respectivement, ils ont signé une lettre d’intention de 2009 avec les autres constructeurs et Now GMBH en septembre 2009 en faveur de l’introduction commerciale des FCV d’ici à 2015. Une étude Le Carbon Trust pour le ministère britannique de l’Énergie et du changement climatique suggère que les technologies de l’hydrogène ont le potentiel de fournir aux transports britanniques des émissions presque nulles tout en réduisant la dépendance vis-à-vis du pétrole importé et en limitant la production d’énergie renouvelable. Cependant, les technologies font face à des défis très difficiles, en termes de coût, de performance et de politique.
Préoccupations environnementales
Les effets sur l’environnement de la fabrication de l’hydrogène suscitent de nombreuses préoccupations. L’hydrogène est fabriqué soit par électrolyse de l’eau, soit par reformage de combustibles fossiles. La réforme d’un combustible fossile entraîne une augmentation des émissions de dioxyde de carbone par rapport à l’utilisation directe du combustible fossile dans un moteur à combustion interne. De même, si de l’hydrogène est produit par électrolyse à partir de générateurs à combustible fossile, une quantité accrue de dioxyde de carbone est émise par rapport à l’utilisation directe du combustible fossile.
L’utilisation d’une source d’énergie renouvelable pour générer de l’hydrogène par électrolyse nécessiterait un apport énergétique supérieur à celui d’une utilisation directe de l’énergie renouvelable pour faire fonctionner des véhicules électriques, en raison des étapes de conversion supplémentaires et des pertes de distribution. Cependant, l’hydrogène utilisé comme carburant de transport est principalement utilisé pour les piles à combustible qui ne produisent pas de gaz à effet de serre, mais de l’eau.
Des problèmes liés aux fuites d’hydrogène ont également suscité des inquiétudes. De l’hydrogène moléculaire s’échappe lentement de la plupart des récipients de confinement. On a émis l’hypothèse que si des quantités importantes d’hydrogène gazeux (H2) s’échappaient, cet hydrogène pourrait, en raison du rayonnement ultraviolet, former des radicaux libres (H) dans la stratosphère. Ces radicaux libres pourraient alors agir comme catalyseurs de l’appauvrissement de la couche d’ozone. Une augmentation suffisamment importante de l’hydrogène stratosphérique provenant de la fuite de H2 pourrait exacerber le processus d’appauvrissement. Cependant, l’effet de ces problèmes de fuite peut ne pas être significatif. La quantité d’hydrogène qui fuit aujourd’hui est bien inférieure (par un facteur de 10 à 100) au chiffre estimé de 10 à 20% supposé par certains chercheurs; Par exemple, en Allemagne, le taux de fuite n’est que de 0,1% (inférieur au taux de fuite de gaz naturel de 0,7%). Tout au plus, ces fuites ne devraient-elles pas dépasser 1 à 2%, même avec une utilisation répandue d’hydrogène, en utilisant la technologie actuelle.
Frais
En 2004, la production d’une unité de combustible à hydrogène par reformage à la vapeur ou par électrolyse était environ trois à six fois plus chère que la production d’une unité équivalente de combustible à partir de gaz naturel. Lors de l’évaluation des coûts, les combustibles fossiles sont généralement utilisés comme référence. Le contenu énergétique de ces combustibles n’est pas le produit de l’effort humain et n’a donc aucun coût. Seuls les coûts d’extraction, de raffinage, de transport et de production sont pris en compte. D’autre part, le contenu énergétique d’une unité de combustible à l’hydrogène doit être fabriqué et a donc un coût important, en plus de tous les coûts de raffinage, de transport et de distribution. Les systèmes utilisant plus directement de l’électricité produite à partir de sources renouvelables, par exemple dans les trolleybus ou les véhicules électriques à batterie, peuvent présenter un avantage économique important en raison du nombre réduit de processus de conversion requis entre source d’énergie primaire et point d’utilisation.
L’obstacle à la réduction du prix de l’hydrogène de haute pureté est un coût de plus de 35 kWh d’électricité utilisé pour générer chaque kilogramme d’hydrogène. L’hydrogène produit par le reformage à la vapeur coûte environ trois fois le coût du gaz naturel par unité d’énergie produite. Cela signifie que si le gaz naturel coûte 6 USD / million de BTU, l’hydrogène atteindra 18 USD / BTU. En outre, la production d’hydrogène à partir de l’électrolyse avec de l’électricité à 5 cents / kWh coûtera 28 USD / million de BTU – environ 1,5 fois le coût de l’hydrogène provenant du gaz naturel. Notez que le coût de la production d’hydrogène à partir d’électricité est une fonction linéaire du coût de l’électricité. Par conséquent, une électricité à 10 cents / kWh signifie que l’hydrogène coûtera 56 $ / million de BTU.
ITM Power aurait fait des progrès considérables dans le domaine de la technologie des électrolyseurs et des piles à combustible, contribuant de manière décisive à réduire le coût de l’électrolyse de l’eau pour produire de l’hydrogène. La réduction des coûts rendrait l’hydrogène provenant de sources renouvelables hors réseau rentable pour le ravitaillement en carburant des véhicules.
Les conduites d’hydrogène coûtent plus cher que les lignes électriques longue distance. Le volume de l’hydrogène est environ trois fois plus volumineux que celui du gaz naturel pour la même enthalpie. L’hydrogène accélère la fissuration de l’acier (fragilisation par l’hydrogène), ce qui augmente les coûts de maintenance, les taux de fuite et les coûts des matériaux. La différence de coût va probablement s’accroître avec les nouvelles technologies: les câbles suspendus dans l’air peuvent utiliser une tension plus élevée avec des coûts de matériau légèrement plus élevés, mais les conduites à pression plus élevée nécessitent proportionnellement plus de matériau.
La mise en place d’une économie de l’hydrogène nécessiterait d’énormes investissements dans l’infrastructure permettant de stocker et de distribuer l’hydrogène aux véhicules. En revanche, les véhicules électriques à batterie, déjà disponibles au public, ne nécessiteraient pas une extension immédiate de l’infrastructure existante pour le transport et la distribution d’électricité. La capacité de la centrale électrique qui reste inutilisée la nuit pourrait être utilisée pour recharger les véhicules électriques. Une étude menée par le Pacific Northwest National Laboratory pour le département de l’Énergie des États-Unis en décembre 2006 a révélé que la capacité de réseau en période creuse aux États-Unis serait suffisante pour alimenter 84% de tous les véhicules aux États-Unis s’ils étaient immédiatement remplacés par véhicules électriques.
Différentes méthodes de production ont chacune un investissement et des coûts marginaux différents. L’énergie et les matières premières pourraient provenir d’une multitude de sources: gaz naturel, nucléaire, solaire, éolien, biomasse, charbon, autres combustibles fossiles et géothermique.
Gaz naturel à petite échelle
Utilise la reformation à la vapeur. Nécessite 15,9 millions de pieds cubes (450 000 m3) de gaz qui, s’ils étaient produits par de petits reformeurs de 500 kg / jour au point de distribution (c’est-à-dire la station-service), équivalaient à 777 000 reformeurs coûtant 1 billion de dollars et produisant 150 millions de tonnes gaz hydrogène annuellement. Supprime le besoin d’une infrastructure de distribution dédiée à l’hydrogène. 3,00 $ par GGE (gallons d’essence équivalent)
Nucléaire
Fournit de l’énergie pour l’électrolyse de l’eau. Il faudrait 240 000 tonnes d’uranium non enrichi – c’est-à-dire 2 000 centrales électriques de 600 mégawatts, qui coûteraient 840 milliards de dollars, soit environ 2,50 $ par GGE.
Solaire
Fournit de l’énergie pour l’électrolyse de l’eau. Il faudrait 2 500 kWh de soleil par mètre carré, 113 millions de systèmes de 40 kilowatts, qui coûteraient 22 000 milliards de dollars, soit environ 9,50 dollars par GGE.
Vent
Fournit de l’énergie pour l’électrolyse de l’eau. À une vitesse moyenne du vent de 7 mètres par seconde, il faudrait 1 million d’éoliennes de 2 MW, ce qui coûterait 3 000 milliards de dollars, soit environ 3,00 $ par GGE.
Biomasse
Les usines de gazéification produiraient du gaz avec reformage à la vapeur. 1,5 milliard de tonnes de biomasse sèche, 3 300 plantes nécessitant une exploitation agricole de 113,4 millions d’acres (460 000 km²) pour produire la biomasse. 565 milliards de dollars de coût, soit environ 1,90 $ par GGE
Charbon
Les usines FutureGen utilisent la gazéification du charbon, puis la reformation à la vapeur. Nécessite 1 milliard de tonnes de charbon ou environ 1 000 centrales de 275 mégawatts pour un coût d’environ 500 milliards de dollars, soit environ 1 dollar par GGE.
DOE Objectifs de coûts
Exemples et programmes pilotes
Plusieurs constructeurs automobiles américains se sont engagés à développer des véhicules utilisant de l’hydrogène. La distribution d’hydrogène à des fins de transport est actuellement testée dans le monde entier, notamment au Portugal, en Islande, en Norvège, au Danemark, en Allemagne, en Californie, au Japon et au Canada, mais le coût est très élevé.
Certains hôpitaux ont installé des unités combinées électrolyseur-pile à combustible pour l’alimentation de secours locale. Ceux-ci sont avantageux pour une utilisation d’urgence en raison de leur faible besoin de maintenance et de leur facilité de localisation par rapport aux générateurs entraînés par combustion interne.
L’Islande s’est engagée à devenir la première économie mondiale de l’hydrogène d’ici 2050. L’Islande occupe une position unique. À l’heure actuelle, il importe tous les produits pétroliers nécessaires pour alimenter ses automobiles et sa flotte de pêche. L’Islande possède d’importantes ressources géothermiques, à tel point que le prix local de l’électricité est en réalité inférieur au prix des hydrocarbures pouvant être utilisés pour produire cette électricité.
L’Islande convertit déjà ses surplus d’électricité en biens exportables et en produits de remplacement des hydrocarbures. En 2002, elle a produit 2 000 tonnes d’hydrogène gazeux par électrolyse, principalement pour la production d’ammoniac (NH3) utilisé comme engrais. L’ammoniac est produit, transporté et utilisé dans le monde entier, et 90% du coût de l’ammoniac correspond au coût de l’énergie nécessaire à sa production. L’Islande développe également une industrie de la fusion de l’aluminium. Les coûts de l’aluminium sont principalement liés au coût de l’électricité nécessaire à l’exploitation des fonderies. Chacune de ces industries pourrait effectivement exporter toute l’électricité géothermique potentielle de l’Islande.
Aucune des deux industries ne remplace directement les hydrocarbures. Reykjavík (Islande) disposait d’une petite flotte pilote d’autobus urbains fonctionnant à l’hydrogène comprimé. Des recherches sont en cours sur l’alimentation de la flotte de pêche du pays avec de l’hydrogène. Pour des raisons plus pratiques, l’Islande pourrait traiter le pétrole importé avec de l’hydrogène pour le prolonger plutôt que pour le remplacer complètement.
Les bus de Reykjavík font partie d’un programme plus vaste, HyFLEET: CUTE, qui exploite des bus à hydrogène dans huit villes européennes. Les autobus HyFLEET: CUTE étaient également utilisés à Beijing (Chine) et à Perth (Australie) (voir ci-dessous). Un projet pilote démontrant une économie de l’hydrogène est opérationnel sur l’île norvégienne d’Utsira. L’installation combine l’énergie éolienne et l’hydrogène. En période d’excédent d’énergie éolienne, l’énergie excédentaire est utilisée pour générer de l’hydrogène par électrolyse. L’hydrogène est stocké et disponible pour la production d’électricité par périodes de vent faible.
Les États-Unis ont une politique de l’hydrogène avec plusieurs exemples. Une coentreprise entre NREL et Xcel Energy associe de la même manière l’énergie éolienne et l’hydrogène dans le Colorado. Hydro, à Terre-Neuve-et-Labrador, convertit le système d’alimentation éolien diesel actuel de l’île éloignée de Ramea en une installation de systèmes d’alimentation hybride éolien-hydrogène. Un projet pilote similaire sur l’île de Stuart utilise l’énergie solaire au lieu de l’énergie éolienne pour produire de l’électricité. Lorsqu’un surplus d’électricité est disponible une fois les batteries pleines, l’hydrogène est généré par électrolyse et stocké pour une production ultérieure d’électricité par une pile à combustible.
Le Royaume-Uni a lancé un programme pilote sur les piles à combustible en janvier 2004; le programme utilisait deux autobus à pile à combustible sur la route 25 à Londres jusqu’en décembre 2005, puis sur la route RV1 jusqu’en janvier 2007. Hydrogen Expedition travaille actuellement à la création d’une pile à hydrogène. navire à moteur et son utilisation pour faire le tour du monde, comme moyen de démontrer la capacité des piles à combustible à hydrogène.
Le Département de la planification et des infrastructures de l’Australie occidentale a exploité trois bus à piles à combustible Citaro de Daimler Chrysler dans le cadre de son essai de transport durable pour les bus à piles à combustible de Perth, à Perth. Les autobus étaient exploités par Path Transit sur des itinéraires d’autobus publics réguliers de Transperth. L’essai a débuté en septembre 2004 et s’est achevé en septembre 2007. Les piles à combustible des autobus utilisaient un système de membrane à échange de protons et étaient alimentées en hydrogène brut provenant d’une raffinerie BP de Kwinana, au sud de Perth. L’hydrogène était un sous-produit du processus industriel de la raffinerie. Les autobus ont été ravitaillés en carburant dans une station de la banlieue nord de Perth, à Malaga.
L’Organisation des Nations Unies pour le développement industriel (ONUDI) et le Ministère turc de l’énergie et des ressources naturelles ont signé en 2003 un accord de fonds d’affectation spéciale de 40 millions de dollars pour la création du Centre international pour les technologies de l’énergie de l’hydrogène (ONUDI-ICHET) à Istanbul. en 2004. Un démonstrateur de chariot élévateur à hydrogène, un chariot à hydrogène et une maison mobile alimentée par des énergies renouvelables font actuellement l’objet de démonstrations dans les locaux de l’ONUDI-ICHET. Un système d’alimentation sans coupure fonctionne depuis avril 2009 au siège de la société Istanbul Sea Buses.
Utilisation de l’hydrogène comme alternative à une économie de l’hydrogène entièrement distributive
L’hydrogène est simplement une méthode pour stocker et transmettre de l’énergie. Divers scénarios alternatifs de transport et de stockage de l’énergie qui commencent par la production d’hydrogène, mais ne l’utilisent pas pour toutes les parties du magasin et de l’infrastructure de transport, peuvent être plus économiques, à court et à long terme. Ceux-ci inclus:
Économie d’ammoniac
Une alternative à l’hydrogène gazeux en tant que vecteur d’énergie consiste à le lier à l’azote de l’air pour produire de l’ammoniac, qui peut être facilement liquéfié, transporté et utilisé (directement ou indirectement) comme carburant propre et renouvelable. Par exemple, des chercheurs du CSIRO en Australie en 2018 ont alimenté une Toyota Mirai et une Hyundai Nexo avec de l’hydrogène séparé de l’ammoniac en utilisant une technologie à membrane.
Production d’hydrogène d’alcool neutre en serre
L’économie de méthanol est un plan énergétique de production de combustible synthétique qui peut commencer par la production d’hydrogène. L’hydrogène dans une «économie de l’hydrogène» complète a été initialement suggéré comme un moyen de rendre l’énergie renouvelable, sous forme non polluante, disponible pour les automobiles. Cependant, une solution théorique pour résoudre le même problème consiste à produire de l’hydrogène de manière centralisée et à l’utiliser immédiatement pour fabriquer des carburants liquides à partir d’une source de CO2. Cela éliminerait l’obligation de transporter et de stocker l’hydrogène. La source pourrait être le CO2 produit par les centrales électriques à combustible. Pour être neutre en ce qui concerne l’effet de serre, la source de CO2 dans un tel plan devrait provenir de l’air, de la biomasse ou d’une autre source de CO2 qui est déjà présente dans l’air ou qui doit être rejetée dans l’air. Les piles à combustible au méthanol directes sont utilisées dans le commerce, mais depuis août 2011, elles ne sont plus efficaces.
Le réseau électrique et les piles à combustible au méthanol synthétique
Bon nombre des stratégies hybrides décrites ci-dessus, qui utilisent l’hydrogène captif pour générer d’autres carburants plus facilement utilisables, pourraient être plus efficaces que la production d’hydrogène uniquement. Le stockage d’énergie à court terme (c’est-à-dire que l’énergie est utilisée peu de temps après sa capture) peut être mieux réalisé avec un stockage sur batterie ou même sur un ultra-condensateur. Le stockage d’énergie à long terme (c’est-à-dire que l’énergie est utilisée des semaines ou des mois après la capture) peut être mieux réalisé avec du méthane synthétique ou des alcools, qui peuvent être stockés indéfiniment à un coût relativement bas, et même utilisés directement dans certains types de piles à combustible, pour véhicules électriques . Ces stratégies s’harmonisent bien avec l’intérêt porté récemment aux véhicules électriques hybrides rechargeables, ou PHEV, qui utilisent une stratégie hybride de stockage de l’électricité et du carburant pour leurs besoins en énergie. Le stockage de l’hydrogène a été proposé par certains comme étant optimal dans une plage étroite de temps de stockage d’énergie, probablement entre quelques jours et quelques semaines. Cette gamme est sujette à une réduction supplémentaire avec toute amélioration de la technologie de la batterie. Il est toujours possible que le stockage ou la génération d’hydrogène génère une avancée majeure, mais cela est peu probable étant donné que les limitations physiques et chimiques des choix techniques sont assez bien comprises.
Production captive d’hydrogène méthane synthétique (gaz naturel synthétique SNG)
De la même manière qu’avec la production d’alcool de synthèse, l’hydrogène peut être utilisé sur site pour produire directement (non biologiquement) des carburants gazeux neutres en serre. Ainsi, on a proposé la production captive de méthane neutre en serre à médiation hydrogène (notez que c’est l’inverse de la méthode actuelle d’acquisition d’hydrogène à partir de méthane naturel, mais qui ne nécessite pas la combustion et la libération ultimes du carbone provenant de combustibles fossiles). L’hydrogène captif (et le dioxyde de carbone, provenant par exemple de CCS (Carbon Capture & Storage)) peut être utilisé sur site pour synthétiser du méthane, en utilisant la réaction de Sabatier. Cela correspond à environ 60% d’efficacité et permet de réduire de 20 à 36% l’aller-retour en fonction de la méthode d’utilisation du carburant. C’est même inférieur à l’hydrogène, mais les coûts de stockage baissent d’au moins un facteur 3, en raison du point d’ébullition plus élevé du méthane et de sa densité d’énergie. Le méthane liquide a une densité d’énergie 3,2 fois supérieure à celle de l’hydrogène liquide et est plus facile à stocker de manière compacte. De plus, les infrastructures de canalisation (gazoducs) sont déjà en place. Les véhicules fonctionnant au gaz naturel existent déjà et sont réputés être plus faciles à adapter à partir de la technologie de moteur interne existante que les véhicules à combustion interne fonctionnant directement à l’hydrogène. L’expérience acquise avec des véhicules fonctionnant au gaz naturel montre que le stockage de méthane n’est pas coûteux, une fois que l’on a accepté le coût de la conversion pour stocker le carburant. Cependant, le coût du stockage de l’alcool étant encore plus bas, cette technologie devrait produire du méthane, ce qui permettrait de réaliser des économies considérables par rapport à la production d’alcool. Les prix finaux des carburants dans les technologies concurrentes ne sont pas connus à l’heure actuelle, mais ils devraient tous les deux permettre de réaliser d’importantes économies d’infrastructure par rapport aux tentatives de transport et d’utilisation directe de l’hydrogène.
Il a été proposé dans un système énergétique hypothétique dominé par les énergies renouvelables d’utiliser l’excès d’électricité généré par les énergies éolienne, solaire photovoltaïque, hydraulique, marine et autres pour produire de l’hydrogène par électrolyse de l’eau, puis le combiner avec du CO2 et du méthane (gaz naturel). L’hydrogène serait d’abord utilisé sur place dans les piles à combustible (PCCE) ou pour le transport en raison de son efficacité de production supérieure, puis du méthane créé qui pourrait ensuite être injecté dans le réseau de gaz existant pour générer de l’électricité et de la chaleur à la demande pour surmonter les points faibles de l’énergie renouvelable production. Le processus décrit consisterait à créer de l’hydrogène (qui pourrait en partie être utilisé directement dans des piles à combustible) et à ajouter du dioxyde de carbone CO2 éventuellement issu de BECCS (bioénergie avec capture et stockage du carbone) via la (réaction de Sabatier) pour créer du méthane, comme suit: : CO2 + 4H2 → CH4 + 2H2O.