Hydrogène, source de vie

L’hydrogène, source de vie et de santé

I – L’hydrogène source de vie

Produire de l’énergie 100% propre, sans gaz à effet de serre, sans aucun déchet, sans polluant d’aucune sorte, à partir de ressources renouvelables, illimitées même, sans convertir les arbres en forêts d’éoliennes (1), sans recouvrir la terre d’éléments photovoltaïques, la réponse tient en un mot : hydrogène.

L’hydrogène est l’élément chimique le plus simple et le plus abondant de l’univers. Sur terre, il est très répandu bien que jamais à l’état pur, essentiellement combiné à l’oxygène pour former l’eau. On peut dire qu’il est notre source de vie à double titre, puisque d’une part il est le combustible du soleil et d’autre part c’est encore l’hydrogène qu’utilisent les plantes pour produire ce qui est la base de toute vie sur terre.

Nous allons voir comment il peut constituer une source d’énergie totalement propre et inépuisable.

Tout d’abord, l’hydrogène pour quoi faire ? Les applications sont innombrables ; absolument tous les domaines de l’activité humaine sont concernés, y compris le secteur de la santé (voir https://science-sapience.fr/hydrogene-source-de-sante/)

C’est un gaz inflammable ; il pourrait donc être utilisé pour le chauffage domestique au même titre que le propane ou le butane, ou encore comme carburant moteur, avec un immense avantage qui est de rejeter uniquement de l’eau. Pour que cet usage soit répandu il faut qu’un réseau de distribution soit développé.

L’usage qui retient le plus d’attention est la production d’électricité au moyen d’une pile à hydrogène. Je n’entrerai pas dans le détail de cette technologie, car beaucoup de sites internet le font très bien, par exemple un site émanant du CEA, « l’hydrogène, l’énergie du futur » ( https://www.youtube.com/watch?v=dUv3U9w1xz4).

Je voudrais me concentrer ici sur la question de base : comment produire de l’hydrogène de façon propre et à partir de l’eau, ressource abondante, inépuisable et à portée de main. Il s’agit tout simplement de casser la molécule d’eau. Les atomes hydrogène et oxygène sont d’abord séparés et ensuite ils se rassemblent deux à deux pour former les molécules d’hydrogène et d’oxygène (voir le schéma sur la page d’accueil).

En réalité ce n’est pas tout à fait aussi simple, mais non pas d’une grande complexité. Les technologies existent ; la seule question est de les améliorer autant que possible pour les rendre faciles à mettre en œuvre et surtout économiquement rentables.

Première méthode : l’électrolyse de l’eau. Un courant électrique « casse » la molécule d’eau et sépare ses différents éléments, protons, électrons et atomes d’oxygène. Les protons chargés (+) migrent vers la cathode (pôle négatif), au travers d’une membrane qui retient les autres éléments. A la cathode, les protons récupèrent les électrons qu’ils avaient perdu précédemment et ainsi forment des atomes d’hydrogène, lesquels s’associent deux-à-deux en gaz hydrogène.

L’électricité peut provenir de panneaux solaires ou d’éoliennes. A une très grande échelle, des entreprises y travaillent, comme le CEA qui, dans sa filière hydrogène, prévoit d’utiliser à cette fin l’électricité des centrales nucléaires. Dans tous les cas, l’hydrogène produit pourra être stocké en fonction des besoins ; ce sera donc le moyen de stocker l’énergie électrique, chose jusqu’ici impossible. Ce problème est particulièrement crucial pour les centrales nucléaires qui produisent la nuit un courant dont on ne sait quoi faire. Ce serait infiniment plus rationnel que la solution quelque peu ubuesque adoptée par EDF, qui consiste à repomper l’eau des barrages la nuit pour la relâcher le jour.

Méthode alternative, qui permettrait de faire abstraction de toutes ces technologies : la photocatalyse. Le point de départ est toujours le même. Il s’agit toujours de casser la molécule d’eau, mais cette fois à partir d’une ressource énergétique elle aussi abondante, inépuisable et à portée de main : le soleil. Ce n’est pas une vue de l’esprit. Les plantes le réalisent grâce à la chlorophylle, un pigment photosensible qui joue le rôle de catalyseur, autrement dit qui facilite la réaction (il existe aussi d’autres pigments photosensibles chez certaines algues ou bactéries). Toute l’énergie dont nous disposons vient de là, y compris les combustibles fossiles, car charbon, pétrole, gaz naturel proviennent de la transformation des forêts primaires au cours des temps géologiques (2).

Ce que font les plantes nous pouvons le faire, en remplaçant la chlorophylle par un catalyseur de synthèse. Schématiquement, une réaction chimique est un échange d’électrons et pour la faciliter on utilise des composés qui possèdent des électrons libres, en particulier des métaux. Les meilleurs résultats sont obtenus avec des métaux « nobles » comme platine ou titane et sous lumière UV. A partir de là, les recherches en cours visent à utiliser des composés qui soient non seulement plus économiques et durables mais aussi qui soient efficaces en lumière visible.

La conversion directe de l’énergie solaire en hydrogène, dite de water splitting, sera une étape décisive de la transition énergétique et du développement durable. On pourra produire de l’hydrogène pour une maison individuelle ou une copropriété, où même à une plus grande échelle. La technique a fait l’objet de plus de 700 publications au cours des 20 dernières années. Récemment, une équipe japonaise annonce la mise au point d’un catalyseur à très haut rendement, près de 100% et économiquement exploitable (3). Cela ouvre de façon crédible une voie qui rendra bientôt obsolètes toutes nos préoccupations concernant la production d’énergie : limitation des ressources, pollution, dangers potentiels, stockage des déchets, etc…

Les recherches vont encore plus loin visant à faire d’une pierre deux coups, produire de l’hydrogène et en même temps purifier l’eau en dégradant les polluants organiques qu’elle contient. Par exemple une équipe anglaise propose d’utiliser l’uranium appauvri, déchet des centrales nucléaires, pour hydrolyser non seulement l’eau mais aussi le CO₂ ou d’autres composés indésirables et ainsi s’en débarrasser par une méthode douce. Produire de l’hydrogène et en même temps éliminer des déchets par d’autres déchets, pas de limites à la créativité liée à la technique (4).

L’intérêt de l’hydrogène comme source énergétique ne se limite pas à ce qui vient d’être dit. Sa production par cassure de l’eau, couplée à une pile à combustible pour produire de l’électricité, par une myriade de petites et moyennes unités va certainement renouveler la question énergétique, même si d’importantes structures seront toujours nécessaires pour répondre aux fortes demandes d’énergie. Ici interviendra ITER, si le projet de fusionner les atomes d’hydrogène aboutira (voir https://science-sapience.fr/kolossales-technologies/)

Vouloir à tout prix produire de l’énergie propre et renouvelable peut conduire à des aberrations. C’est le cas de la méthanisation, qui consiste à la fermentation de produits agricoles pour la production de méthane. Au départ il s’agissait de valoriser des sous-produits de l’agriculture ou d’autres activités, ce qui était tout à fait louable mais on assiste maintenant à la mise en place de grandes unités destinées à traiter des céréales produites uniquement à cette fin. Donc, cultiver du blé, ou autre produit agricole, non pas pour l’alimentation, mais pour produire du méthane. Cultiver, cela suppose de mettre en œuvre des machines agricoles pour labourer, semer, récolter, etc…, machines qui vont utiliser des carburants, comprenant entre autres des produits pétroliers, pour en fin de compte produire de l’énergie sous forme de méthane. Consommer de l’énergie pour produire de l’énergie, Ubu roi n’est pas loin ! Non seulement l’énergie ainsi générée ne sera pas réellement propre, mais la méthode engendrera de nombreuses sources de pollution et de nuisances.

Pour plus d’information sur la méthanisation :  https://www.cnvmch.fr/

Pour revenir à l’hydrogène, en France les pouvoirs publics semblent avoir compris que l’hydrogène est la clé de la transition énergétique que tout le monde attend. Le Japon, lui, a pris une option beaucoup plus ambitieuse. Il s’est mis en mesure de produire de l’hydrogène à très grande échelle et se hisser, malgré l’absence de pétrole, au rang des grands pays producteurs d’énergie. La fin des énergies non renouvelables est en vue !

Encore un mot. L’hydrogène fait souvent peur, sans raison ; c’est un fantasme. Certains pensent qu’il prend feu spontanément ; c’est faux. Le risque d’explosion est même beaucoup plus faible qu’avec le butane ou le propane. En effet, l’hydrogène est tellement léger qu’il se disperse très rapidement de sorte que, même en cas de fuite importante, il ne peut pas s’accumuler et sa concentration dans l’atmosphère peut difficilement atteindre un seuil critique.

1. Une éolienne, ce ventilateur qui tourne gentiment dans le paysage est en réalité une machine monstrueuse. Une seule pâle pèse de l’ordre de 10 tonnes, à condition d’être construite avec des matériaux légers et précieux ; son extrémité se déplace à ne vitesse qui atteint souvent 200 km/h. Elle produit de l’électricité à un coût exorbitant ; son recyclage est délicat et couteux. Même l’Allemagne, en pointe dans le domaine, est en train de revoir sa politique.
2. La plante non seulement hydrolyse l’eau grâce à la lumière solaire, mais elle réalise une pile à hydrogène en séparant les deux éléments de l’atome d’hydrogène, le noyau (le proton) et l’électron, qui constituent le moteur de la photosynthèse.
3. Takata, T.Photocatalytic water splitting with a quantum efficiency of almost unity, Nature 581:411-4, 2020.
4. Halter D.P. et al.,Uranium-mediated electrocatalytic dihydrogen production from water, Nature 530 :317-21, 2016.