L’hydrogène, le plus simple et le plus abondant des éléments de l’univers, a une histoire riche qui remonte à sa découverte par le scientifique britannique Henry Cavendish au XVIIIe siècle. Depuis lors, cette molécule a connu une évolution remarquable, passant d’une simple curiosité scientifique à un élément clé dans de nombreuses applications modernes, développées dans des écosystèmes H2.

Siècle des Lumières : La Découverte de l’Hydrogène

En 1766, Henry Cavendish, physicien et chimiste britannique, réalise une percée scientifique en découvrant une substance gazeuse unique pendant ses expériences sur l’acidité. Trois ans plus tard, il publie ses résultats, révélant la nature particulière de ce gaz léger, qu’il appelle alors “air inflammable”.

En 1783, le chimiste français Antoine Lavoisier réalise que l'”air inflammable” de Cavendish était en réalité un élément chimique distinct qui, lorsqu’il brûlait en présence d’oxygène, jouait un rôle dans la formation de l’eau. Il propose alors le nom “hydrogène” pour cet élément, dérivé du grec “hydro” signifiant “eau” et “genium” signifiant “formeur”.

H2 : une formule chimique pour l’hydrogène

Pourquoi appelle-t-on l’hydrogène le H2 ? 

La forme moléculaire de l’hydrogène est le dihydrogène : comme son nom l’indique, cette molécule comporte deux atomes d’hydrogène : sa formule chimique est ainsi le H2. 

L’Ère de la Renaissance Chimique : le gaz H2 devient un vecteur énergétique

En 1839, Sir William Grove, un avocat britannique, chimiste amateur, développe la pile de Grove, également connue sous le nom de batterie voltaïque à gaz, en combinant des électrodes en platine avec de l’hydrogène et de l’oxygène. Cette invention convertit directement l’énergie chimique en électricité sans combustion, offrant ainsi une alternative propre et efficace aux méthodes traditionnelles de production d’électricité.

Au cours des années suivantes, il publie une série d’articles et, lors d’une conférence en 1842, il évoque pour l’une des 1ère fois la conservation de l’énergie, précédant Harmann von Helmholtz de cinq ans. 

Sa cellule à gaz restera en sommeil pendant des décennies, mais deviendra un précurseur essentiel dans l’invention de la pile à combustible. 

Ainsi, l’ère de la renaissance chimique a été non seulement le témoin de découvertes fondamentales, mais également le catalyseur d’une nouvelle ère dans le domaine de l’énergie, marquée par l’utilisation novatrice de l’hydrogène comme vecteur énergétique.

Révolution industrielle : les usages de l’hydrogène se multiplient

Au XXe siècle, l’hydrogène devient une ressource cruciale au sein de l’industrie, trouvant une multitude d’applications qui ont façonné les processus de fabrication et la production mondiale. L’une des utilisations majeures de l’hydrogène réside dans sa contribution à la production d’ammoniac. Cette réaction chimique, connue sous le nom de synthèse de Haber-Bosch, permet de combiner l’hydrogène et l’azote atmosphérique pour former de l’ammoniac, une matière première essentielle dans la fabrication des engrais.

L’industrie pétrolière a également intégré le gaz hydrogène dans ses processus. Le raffinage du pétrole, par exemple, utilise l’hydrogène pour éliminer les impuretés et améliorer la qualité des produits pétroliers. Le procédé d’hydrodésulfuration, qui utilise l’hydrogène pour réduire la teneur en soufre des carburants, est un exemple significatif de cette application.

L’Hydrogène, un gaz essentiel pour répondre aux besoins de la société moderne

En outre, l’hydrogène est employé dans la métallurgie pour réduire les minerais de métaux tels que le fer, contribuant ainsi à la production d’acier. Cette utilisation spécifique, connue sous le nom de réduction directe, permet d’obtenir des métaux à partir de leurs oxydes, jouant un rôle clé dans la fabrication de matériaux essentiels à de nombreuses industries.

Dans le secteur électronique, l’hydrogène trouve sa place dans la production de semi-conducteurs et de composants électroniques avancés. Son utilisation dans ces applications contribue à l’avancement continu des technologies de l’information et de la communication.

Le rôle central de l’hydrogène dans la fabrication d’engrais, le raffinage pétrolier et d’autres procédés industriels en fait une ressource incontournable pour répondre aux besoins croissants de la société moderne.

Ère post-industrielle : l’H2 dans la transition écologique

Bien que toujours utilisé pour décarboner l’industrie, au tournant du XXIe siècle, l’hydrogène représente une solution prometteuse pour les problèmes environnementaux et énergétiques et a donc un rôle clé à jouer dans la transition écologique. Son intérêt réside dans le fait que production et consommation sont complètement décorrélées : on peut le produire pendant les heures creuses, le stocker de manière sécurisée et le consommer quand on veut.

C’est pourquoi le H2 est aujourd’hui utilisé comme moyen de stockage de l’énergie : il est utilisé comme vecteur énergétique pour stocker l’énergie renouvelable produite à partir de sources intermittentes telles que l’éolien et le solaire. Il permet ainsi de lisser les variations de la production énergétique, contribuant à une alimentation plus stable du réseau électrique.

L’hydrogène H2, une solution de décarbonation des transports

Il fait également partie des solutions de décarbonation des transports, offrant une mobilité hydrogène sans émissions de CO2 et contribuant ainsi à réduire l’empreinte carbone du secteur, mais aussi à améliorer la qualité de l’air. 

Par exemple, l’hydrogène peut être utilisé pour alimenter les piles à combustible qui vont fournir de l’électricité aux voitures électriques. La capacité de stockage de l’hydrogène est par ailleurs utilisée pour ces transports : l’énergie non consommée par le moteur électrique d’une voiture est stockée dans une batterie, et pourra assister la pile à combustible si besoin.

Les véhicules hydrogènes nécessitent des infrastructures spécifiques pour leur ravitaillement : les stations hydrogènes. Ces stations, en plein développement, sont équipées de pompes capables d’injecter de l’hydrogène sous forme de gaz sous pression dans le réservoir du véhicule.

L’hydrogène se positionne donc comme un acteur polyvalent dans la transition énergétique, offrant des solutions innovantes pour répondre aux défis climatiques et énergétiques du XXIe siècle.

Le saviez-vous ?

Bien que l’hydrogène soit un gaz inodore et incolore, on le pare pourtant de différentes couleurs !

En effet, les couleurs de l’hydrogène sont des noms donnés à la molécule selon son procédé de production et / ou sa source d’électricité. L’hydrogène “vert” est ainsi un hydrogène produit à partir d’un procédé renouvelable ou faiblement carboné (éolien, solaire, électrolyse de l’eau). 

L’hydrogène, un vecteur énergétique incontournable de la transition écologique

De sa découverte par Cavendish à ses applications modernes, l’histoire de l’hydrogène est une saga de découvertes scientifiques et d’innovations technologiques. Alors que nous explorons de nouvelles façons d’utiliser cette molécule polyvalente, il est clair que l’hydrogène continuera de jouer un rôle crucial dans la quête d’un avenir énergétique durable.

Le dihydrogène (H2) – molécule constituée de 2 atomes d’hydrogène -, communément appelé hydrogène est produit par différentes méthodes. De ce fait, la molécule d’hydrogène qui n’a ni couleur, ni odeur est pourtant, dans le monde de l’énergie, parée de plusieurs nuances. ZOOM sur une palette de couleur allant du noir au blanc, en passant par l’hydrogène vert.

L’évolution des couleurs de l’hydrogène en fonction de l’évolution des productions

Quelles sont les 7 couleurs de l’hydrogène ?

On nomme l’hydrogène avec 7 couleurs bien définies avec parfois quelques nuances : 

• Brun / noir
• Gris
• Bleu, turquoise
• Rose, rouge, violet
• Vert
• Blanc

Chaque couleur correspond au procédé utilisé pour la production d’hydrogène ou à sa source d’énergie. Ce procédé a évolué avec les années, et tend de plus en plus vers une énergie ou un mode de production plus respectueux de l’environnement. 

Hydrogènes noir, marron, gris : héritages de l’industrie fossile

L’hydrogène noir et l’hydrogène marron sont produits par gazéification du charbon bitumineux (pour l’hydrogène noir) et lignite (pour le marron). Il s’agit d’un processus extrêmement polluant, puisqu’il produit du CO2 et du monoxyde de carbone et les rejette dans l’atmosphère.

L’hydrogène gris est produit à partir de combustibles fossiles et utilise généralement la méthode du vaporeformage. Il est actuellement l’hydrogène le plus courant en termes de production, car il est le moins cher à produire. Au cours de ce processus, 10 tonnes de CO2 sont générées et rejetées dans l’atmosphère contre une tonne d’hydrogène produit. Cette méthode, moins polluante que le vaporeformage du charbon, reste néanmoins génératrice de CO2.

Hydrogènes bleu, turquoise : les prémices d’une technologie de production moins émettrice de gaz à effet de serre

L’hydrogène bleu est dérivé de l’hydrogène gris, mais la majeure partie du CO2 émis au cours du processus de production est capturée et stockée, entre autres, sous terre. 10 à 20 % du dioxyde de carbone émis durant sa production n’étant pas captée et des fuites de méthane ayant été pointés du doigt par de nombreux scientifiques, l’hydrogène bleu est aujourd’hui considéré comme de l’hydrogène carboné.

L’hydrogène turquoise, quant à lui, est extrait par pyrolyse du méthane, c’est-à-dire en le chauffant à très haute température. Cette forme de production permet de produire du carbone solide utilisé notamment dans la production de pneus, de plastiques ou encore de batteries. Le processus utilise le gaz naturel comme matière première et, si l’énergie nécessaire à la séparation du méthane provient de sources renouvelables, le processus est presque neutre en carbone.

Hydrogènes rouge, rose, violet : La quête d’une énergie bas carbone

L’hydrogène rose, rouge et violet est généré par la division de l’eau à l’aide de l’électricité produite par les centrales nucléaires.

L’hydrogène rose est produit par l’électrolyse de l’eau, qui décompose l’eau en oxygène et en hydrogène. L’hydrogène rouge est quant à lui produit par fractionnement catalytique à haute température de l’eau, les produits chimiques utilisés dans le processus étant réutilisés dans un cycle de production en boucle fermée.

Enfin, l’hydrogène violet est produit en utilisant l’énergie nucléaire et la chaleur par électrolyse chimio-thermique combinée de l’eau.

Hydrogène vert : La promesse d’une énergie vertueuse

Bien que l’hydrogène “vert” fasse souvent référence à l’hydrogène produit à partir d’électricité générée par des sources d’énergies renouvelables (d’origine solaire ou éolien), il peut également s’agir d’hydrogène produit par différentes méthodes utilisant d’autres sources renouvelables telles que le biogaz, le biométhane ou les biodéchets. Actuellement la méthode la plus courante de production d’hydrogène vert est l’électrolyse de l’eau.

Aucune émission de CO2 n’est associée à la production d’hydrogène vert ni à son utilisation. Lorsqu’il est utilisé dans une pile à combustible, le seul sous-produit de son utilisation est l’eau pure qui a été utilisée à l’origine pour sa production.

Hydrogène blanc : L’eldorado de l’hydrogène ?

L’hydrogène blanc désigne l’hydrogène dans son état le plus naturel. Il est généré par un processus naturel à l’intérieur de la croûte terrestre et ne fait donc appel à aucun mode de production. Son processus d’extraction est similaire à celui du gaz naturel, nécessitant des forages souterrains profonds pour exploiter les puits d’hydrogène naturels. 

La réserve la plus connue se situe dans le village d Bourakébougou au Mali dont le puits crache un gaz contenant plus de 97 % d’hydrogène depuis plus de 30 ans. En France, un gisement a récemment été découvert en Moselle.

Avec ses différentes couleurs, allant du noir au blanc, l’hydrogène incarne l’évolution des méthodes de production vers une énergie plus respectueuse de l’environnement. L’hydrogène vert se dresse comme une solution prometteuse pour un avenir énergétique durable, libérant le potentiel d’une solution de décarbonation de la mobilité. Sa production étant dépendante de celle des énergies renouvelables, il est nécessaire de prendre en compte le temps de développement des technologies.

Hydrogène vert et stations de ravitaillement : où en est-on ?

Il existe deux façons d’alimenter une station en hydrogène.

La première grâce à un électrolyseur sur place. Dans ce cas, la couleur de l’hydrogène dépend du mix-énergétique du pays dans lequel elle est installée ; ou est verte si la station est fournie par de l’électricité verte.

La seconde par acheminement de l’hydrogène via des remorques de tubes d’hydrogène comprimé. Dans ce cas, la couleur de l’hydrogène dépend du mode de production de l’hydrogène, du pays dans lequel il a été produit et du mode d’acheminement. Il existe également des projets de stations centrales produisant l’hydrogène par électrolyse et stations satellites dans lesquelles l’hydrogène produit par les stations centrales est acheminé.

Dans le cas d’Atawey, les stations compactes peuvent intégrer un électrolyseur.

Conclusion

Les différentes couleurs de l’hydrogène incarnent l’évolution des méthodes de production vers une énergie plus respectueuse de l’environnement et la nécessité de développer les solutions de production d’hydrogène bas carbone et décarboné.

Alors que les sociétés se mobilisent pour réduire leur empreinte carbone et adopter des sources d’énergies plus propres, la demande d’hydrogène vert dépasse actuellement l’offre. C’est notamment pour cette raison que la molécule d’hydrogène vert coûte plus cher que la molécule d’hydrogène gris.

Les investissements en temps et en financements représentent donc un enjeu crucial dans le développement des technologies de production et seront déterminants pour les années à venir.

L’hydrogène est un élément chimique présent en abondance dans l’univers, mais il en existe peu sous forme pure sur Terre. Contrairement aux combustibles fossiles tels que le charbon ou le pétrole, l’hydrogène doit être produit à partir d’autres sources d’énergie primaire. Cela en fait un vecteur énergétique – au même titre que l’électricité – très prometteur, car il a le potentiel d’être une alternative propre et durable aux énergies fossiles dans de nombreux secteurs, l’industrie, la production d’énergie ou encore les transports.

L’utilisation de l’hydrogène comme source d’énergie peut contribuer à réduire les émissions de gaz à effet de serre et à améliorer la qualité de l’air. En outre, l’hydrogène est facilement stockable et transportable, ce qui en fait une source d’énergie flexible et polyvalente. En somme, l’hydrogène est un vecteur énergétique prometteur pour la transition vers une économie plus propre et plus durable.

Les différentes méthodes de fabrication d’hydrogène : des ressources fossiles à l’électrolyse de l’eau

La production d’hydrogène est en train de devenir une industrie clé pour répondre aux besoins de notre société en matière d’énergie propre et renouvelable. 

Qu’est-ce que l’hydrogène ?

L’hydrogène est un élément chimique composé d’un proton et d’un électron. La molécule de dihydrogène (H2) est constituée de deux atomes d’hydrogène. On parle communément d’hydrogène pour désigner en fait le dihydrogène.

À quoi sert l’énergie hydrogène en France ?  

En France, l’hydrogène est utilisé majoritairement dans l’industrie chimie et le raffinage du pétrole. Il sert également de base pour la production d’ammoniac (engrais) et de méthanol. 

Demain, dans le cadre de la transition énergétique, l’énergie hydrogène peut être valorisée dans de nombreux autres usages. 

• Comme un carburant propre : l’hydrogène, associé à une pile à combustible, crée une réaction qui génère de l’électricité : c’est un vecteur d’énergie propre et permet d’alimenter un moteur électrique (c’est le principe de la voiture à hydrogène). 
  
• Pour stocker l’électricité, ce qui permettrait d’optimiser la capacité de production électrique et pallier l’intermittence des énergies renouvelables
  
• Dans le secteur industriel, pour remplacer l’utilisation des énergies fossiles et alimenter en énergie décarbonée les industries
  

Comment fabriquer de l’hydrogène ? Le processus de production

Il existe différents modes de production de l’hydrogène. Aujourd’hui, le procédé de production d’hydrogène le plus répandu est le vaporeformage. Cette méthode utilise des combustibles fossiles tels que le gaz naturel ou le biogaz pour dissocier les atomes carbonés du méthane grâce à de la vapeur d’eau. Après deux réactions successives, ils se reforment séparément en dihydrogène et en dioxyde de carbone (CO2). Le mélange est ensuite purifié pour obtenir de l’hydrogène “gris” à environ 99,9%. Le vaporeformage présente l’avantage d’un coût compétitif, mais l’inconvénient d’avoir une lourde empreinte carbone (plus de 10kg de CO2 par kg d’hydrogène gris produit).

La gazéification du charbon a également été largement utilisée au XIXème siècle pour produire du gaz de ville et des carburants liquides à usage militaire. Porté à très haute température, le charbon se vaporise et le carbone qu’il contient réagit avec de la vapeur d’eau en produisant du « syngas » dont on peut séparer l’hydrogène après avoir éliminé les impuretés et le CO2. Cette méthode, elle aussi très émettrice de CO2 est aujourd’hui encore utilisée dans les pays marqués par la culture charbonnière (Chine, États-Unis, Allemagne, etc.) pour produire industriellement de l’hydrogène dit “gris”.

Cependant, ces méthodes de production d’hydrogène sont remises en question en raison de leur fort impact environnemental. La mobilité hydrogène étant en plein essor, plusieurs voies de remplacement sont actuellement en cours de développement, notamment la production d’hydrogène par électrolyse.

L’hydrogène produit par électrolyse, une alternative prometteuse aux carburants fossiles

Comment produire de l’hydrogène vert ? 

L’hydrogène vert est considéré comme l’un des éléments majeurs de la transition énergétique vers des sources d’énergie plus propres et durables. Dans ce contexte, l’électrolyse de l’eau est un procédé prometteur pour produire de l’hydrogène à partir de sources d’énergie renouvelable, telle que l’énergie solaire ou éolienne. Cette technologie crée une réaction, qui permet de séparer les molécules d’eau en dihydrogène et dioxygène en utilisant un courant électrique. Ainsi, 2 molécules d’eau (H2O) permettent de produire 2 molécules de dihydrogène (H2) et 1 molécule d’oxygène (O2).

2H2O 🡪 2H2 + O2

Le saviez-vous ? L’électrolyseur pour de l’hydrogène “renouvelable”

Avec ce procédé alimentant l’électrolyseur avec de l’électricité renouvelable, l’hydrogène produit est considéré comme “vert”, car il ne génère pas de gaz à effet de serre de la production jusqu’à son utilisation.

Ainsi, l’électrolyse de l’eau est une technologie clé pour la production d’hydrogène vert, contribuant ainsi à réduire son empreinte et offrir une solution de transport durable pour un avenir plus propre.

L’électrolyseur, technologie clé au cœur du système de production d’hydrogène décarboné de la station hydrogène compacte S d’Atawey

Pouvant intégrer un électrolyseur, la station hydrogène compacte S d’Atawey est capable de produire jusqu’à 2 kg d’hydrogène par jour, soit environ 200 km d’autonomie pour un véhicule léger. En faisant ce choix, les stations compactes sont tout-en-un : elles intègrent dans un seul ensemble la production, le stockage, la compression, la distribution et l’interface Homme Machine (IHM). 

La station est raccordée au réseau d’eau potable et utilise la technologie de l’électrolyse alcaline pour casser la molécule d’eau. Une fois la molécule d’eau dissociée, l’hydrogène décarboné est stocké tandis que l’oxygène est rejeté dans l’atmosphère. Si la station atteint sa capacité maximale de stockage, elle cesse de produire de l’hydrogène.

Le saviez-vous ?

La station compacte S est solution idéale pour les acteurs situés sur des zones insulaires !

Les électrolyseurs intégrés dans les stations Compactes S ont été conçus par Atawey et sont fabriqués en France, à Saint-Étienne.

Une station Compacte S mise en service en Guadeloupe 

Arrivée en Guadeloupe fin 2022, la station Compacte S servira de station d’amorçage pour l’entreprise SARA.

Capable de produire 2kg par jour d’hydrogène et de distribuer jusqu’à 6kg en une journée, cette station alimentera deux voitures 700 bars. 

Cette station est la première de Guadeloupe et a été installée courant mars à Jarry. Elle est alimentée grâce à de l’énergie renouvelable, par des panneaux photovoltaïques.

Des défis à relever pour accélérer la transition énergétique : remplacer le vaporeformage

Le vaporeformage, actuellement la méthode la plus couramment utilisée pour produire de l’hydrogène décarboné, sera progressivement remplacé dans la transition écologique en raison de son importante émission de CO2. L’électrolyse de l’eau est considérée comme la technologie la plus avancée pour le remplacer, bien que les coûts de production de l’hydrogène restent élevés (trois fois supérieurs à ceux du vaporeformage) et dépendent des coûts de l’électricité.

Les stations compactes S développées par Atawey utilisent l’électrolyseur pour produire de l’hydrogène. Pour les autres stations de la gamme (compactes M et les stations hydrogènes évolutives), il est possible d’installer un électrolyseur à côté de la station afin de produire de l’hydrogène sur place.

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