Super carburant ?

Publié le 24 décembre 2020 à 17 h 13 par G. Allen Brooks

(Article initialement publié dans l'édition de septembre/octobre 2020.)

Choisissez une couleur - n'importe quelle couleur - bleu, vert, marron ou gris. Ce sont les couleurs attribuées aux différentes formes d'hydrogène selon la façon dont il est produit. L'hydrogène est soudainement devenu le Superman des énergies renouvelables. Plutôt que de sauver Metropolis, il est nécessaire de sauver le monde d'un avenir dommageable créé par des émissions excessives de carbone provenant de la combustion de combustibles fossiles.

Alors que nous sommes passés du réchauffement climatique au changement climatique en passant par la crise climatique, la nécessité de trouver des sources d'énergie propres est devenue de plus en plus urgente. À une certaine époque, le gaz naturel, qui émet la moitié du CO2 du charbon, était cette source de carburant. À 8-12 $ par million de BTU, le gaz naturel à coût élevé a réduit l'écart avec l'énergie éolienne et solaire plus chère.

Cet écart s'est creusé alors que la révolution du schiste a fait chuter les prix du gaz en dessous de 2 $/mmBtu. Les écologistes ont ensuite changé d'allégeance du gaz naturel à l'hydrogène en tant que sauveur de carburant propre. Pour que l'ère de l'hydrogène commence véritablement, le carburant doit surmonter un certain nombre d'obstacles techniques et financiers.

Propriétés

L'hydrogène - l'élément chimique avec le symbole H et le numéro atomique 1 - est l'élément le plus léger de l'univers, 14 fois plus léger que l'air, ce qui le rend utile pour les ballons. C'est aussi l'élément le plus abondant, représentant 75% de la masse de l'univers. "Hydrogène" vient du grec "hydro", qui signifie "eau", et "gènes", qui signifie "créateur" - en fait, "né de l'eau", qui est ce qui reste après la combustion de l'hydrogène.

Avec un seul proton dans son noyau, l'hydrogène est le plus petit élément chimique. Il peut aussi exister sans neutrons. La petite taille et la faible densité de l'hydrogène posent des problèmes de transport et de stockage. Compte tenu de sa force de liaison relativement élevée, de l'énergie – beaucoup d'énergie – est nécessaire (par exemple, l'électrolyse) pour isoler l'hydrogène sous sa forme pure, ce qui augmente son coût.

L'hydrogène a été identifié pour la première fois par le grand scientifique expérimental Henry Cavendish en 1766. Il a produit de l'eau à partir d'hydrogène et d'oxygène à l'aide d'une étincelle électrique. La première pile à combustible, qui convertit l'hydrogène et l'oxygène en énergie électrique, a été développée en 1838 par Sir William Grove en utilisant des électrodes de zinc et de platine. Bien que 20 ans avant l'émergence de l'ère du pétrole, la découverte a langui. La première pile à combustible commerciale n'a pas été développée avant près d'un siècle (1932).

Commercialisation

Commercialement, l'hydrogène a été utilisé pour la première fois en 1792, environ 25 ans après sa découverte, dans la production de gaz de houille, appelé « gaz de ville ». L'hydrogène représentait près de la moitié du volume de gaz de ville, qui alimentait les lampadaires à l'ère des lampes à gaz du XIXe et du début du XXe siècle.

La prédiction la plus étonnante sur l'hydrogène est peut-être sa mention dans le roman d'aventures de Jules Verne de 1875, L'île mystérieuse, dans lequel il décrit un monde où "l'eau sera un jour utilisée comme combustible, cet hydrogène et l'oxygène qui la constituent utilisés seuls ou ensemble fourniront une source inépuisable de chaleur et de lumière d'une intensité dont le charbon n'est pas capable".

Verne était un visionnaire à plus d'un titre. Le livre commence pendant la guerre civile américaine avec cinq prisonniers de guerre détournant un ballon d'observation rempli d'hydrogène pour s'échapper. L'hydrogène deviendrait l'élément de flottabilité qui a soulevé les dirigeables Zeppelin et révolutionné les voyages transatlantiques et les tactiques militaires dans les décennies à venir.

L'âge des voyages en Zeppelin s'est terminé en 1939 avec le désastreux accident Hindenburg à Lakehurst, New Jersey qui a tué 35 passagers dans une explosion et un incendie spectaculaires et a soulevé la question de la sécurité de l'hydrogène. Comme tous les combustibles fossiles, l'hydrogène est hautement combustible, mais il nécessite une concentration près de trois fois supérieure à celle de l'essence, ce qui signifie que l'essence est trois fois plus combustible que l'hydrogène.

L'hydrogène se disperse également rapidement en cas de fuite et ses flammes génèrent une faible chaleur rayonnante en l'absence de carbone, ce qui signifie qu'elles s'éteignent rapidement. Probablement le plus important, l'hydrogène est non toxique, ne produisant que de l'eau propre lorsqu'il est brûlé en présence d'oxygène, l'oignant comme carburant pour alimenter l'économie sans carbone du futur.

Ajoutant à sa désirabilité est sa polyvalence. En tant que gaz, il peut à la fois utiliser l'infrastructure de gazoduc existante et alimenter des turbines génératrices d'électricité. Sous forme liquide, il peut être utilisé comme carburant de transport, qui est la solution d'énergie propre la plus gênante du secteur de l'énergie. L'électrification du parc automobile mondial crée des problèmes environnementaux allant de l'extraction de terres rares à l'élimination des batteries. En tant que carburant pouvant être produit tout en éliminant ou en minimisant les émissions de carbone, l'hydrogène est beaucoup plus souhaitable.

La couleur du propre

Les quatre versions de l'hydrogène sont colorées par les volumes de carbone émis lors de la production. L'hydrogène brun est fabriqué à partir de charbon tandis que l'hydrogène gris provient du gaz naturel. Dans les deux cas, le CO2 du processus de production est émis dans l'atmosphère – plus avec le charbon, moins avec le gaz.

En revanche, l'hydrogène bleu est dérivé du gaz naturel dont les émissions sont capturées et stockées. L'hydrogène idéal est le vert, qui est produit à partir de carburants renouvelables, laissant l'eau comme seule émission.

L'Europe constate que sa poussée agressive vers l'énergie propre a entraîné la production d'un excédent important d'électricité éolienne et solaire alors qu'elle n'est pas nécessaire, obligeant les services publics à payer les producteurs pour l'énergie gaspillée. L'intermittence de l'énergie éolienne et solaire signifie qu'une capacité de production de deux à trois fois la puissance requise doit être construite, ce qui entraîne une mauvaise allocation des investissements. Cette mauvaise répartition est amplifiée par le fait que ces sources d'énergie intermittentes ont une durée de vie de seulement 15 à 25 ans, par rapport aux centrales électriques à combustibles fossiles qui ont une durée de vie de 40 à 60 ans.

Le défi des coûts

Le plus grand obstacle pour l'hydrogène est le coût de production, surtout s'il doit être vert. Une étude du Hydrogen Council a déterminé qu'en utilisant un prix d'importation de 3 dollars par kilogramme d'hydrogène pour alimenter les turbines, l'électricité produite coûterait environ 140 dollars par mégawattheure (MWh).

En comparaison, une estimation de 2019 du coût actualisé de l'électricité suggère que le coût non subventionné de la production d'électricité à cycle combiné au gaz naturel se situe entre 44 $/MWh et 68 $/MWh, un avantage de coût actuel de 50 à 70 % par rapport au chiffre hypothétique généré par l'hydrogène. Si le prix d'importation de l'hydrogène pouvait être réduit à 1 $ par kilogramme, l'électricité qui en résulterait aurait un prix compétitif par rapport à l'électricité produite à partir de gaz naturel, avec l'avantage supplémentaire de ne pas émettre de carbone.

S'attaquer au défi des coûts motive les entreprises à expérimenter des projets de production d'hydrogène vert avec de l'électricité renouvelable bon marché. Ces expérimentations ciblent les installations éoliennes et solaires offshore pour fabriquer de l'hydrogène à partir des surplus d'électricité. L'hydrogène serait stocké puis utilisé pour produire de l'électricité lorsque les sources d'énergie renouvelables sont incapables de fournir de l'électricité.

Alternativement, ces installations pourraient produire de l'hydrogène à moindre coût en utilisant l'électricité gaspillée et en l'injectant dans le réseau de gazoducs du continent. Il pourrait également être livré sous forme liquide pour alimenter le secteur des transports. Il est prévu de créer un réseau d'installations de stockage et de ravitaillement en hydrocarbures liquides le long des principaux fleuves d'Europe qui alimenteraient des barges et des navires équipés de piles à combustible, réduisant ainsi les émissions de carbone. Un marché des véhicules à pile à combustible pourrait également voir le jour en Europe, comme il en existe dans le sud de la Californie.

L'attrait de l'hydrogène pour les transports est sa haute densité énergétique, mais avec certaines réserves. En particulier, l'hydrogène a une teneur énergétique élevée par rapport aux autres carburants par unité de poids, mais une densité énergétique inférieure par unité de volume.

L'hydrogène a une teneur énergétique trois fois supérieure à celle de l'essence, mais en volume, cette relation est inversée. Un véhicule à pile à combustible doit être alimenté en hydrogène à haute pression, ce qui nécessitera des réservoirs de stockage à haute résistance en composites renforcés, ce qui augmentera le coût du véhicule.

Il est important de noter que l'hydrogène a une densité de stockage d'énergie plus élevée que les batteries lithium-ion. Un kilogramme d'hydrogène a la même énergie électrique qu'un gallon d'essence. Avec une efficacité réservoir-roue d'un véhicule à pile à combustible deux fois supérieure à celle d'un véhicule à moteur à combustion interne, un kilogramme d'hydrogène fournit autant d'autonomie que deux gallons d'essence. Avec la baisse des prix de l'hydrogène, les véhicules à pile à combustible deviendraient très compétitifs, notamment en ayant moins de problèmes environnementaux que les véhicules à batterie.

Questions sans réponse

Outre la question du coût, il reste des questions sans réponse sur le stockage et le transport de l'hydrogène. Ses petites molécules lui permettent de s'infiltrer dans les conduites d'acier à un taux quatre à cinq fois supérieur à celui du méthane, provoquant une fragilisation et obligeant à remplacer les conduites de gaz, ainsi que les appareils en cas d'utilisation d'hydrogène.

Le stockage du gaz naturel utilise soit des dômes de sel, des aquifères ou des réservoirs de pétrole/gaz épuisés. En Europe, seuls les dômes de sel ont été examinés pour le stockage de l'hydrogène, de sorte que des questions subsistent quant à l'existence d'une capacité suffisante. Des options de stockage alternatives devront être étudiées, ou éventuellement un stockage supplémentaire en dôme de sel devra être construit. Jusqu'à ce que l'hydrogène se révèle être un carburant commercialement viable, le stockage à grande échelle n'est pas une contrainte.

L'Europe investit massivement dans l'énergie éolienne et solaire pour atteindre ses objectifs d'énergie propre. Cependant, chaque étude sur l'énergie souligne son incapacité à atteindre ces objectifs sans que l'hydrogène ne joue un rôle important. Récemment, l'Europe a connu une faible production éolienne et solaire, amplifiant les défis des services publics pour fournir de l'électricité à la demande.

Tout le monde parie lourdement sur la commercialité de l'hydrogène dispatchable, mais on ne sait pas quand – ou si – les défis économiques et techniques de l'hydrogène pourront être surmontés. Sinon, les plans d'énergie verte sont confrontés à un jour de jugement.

Les opinions exprimées ici sont celles de l'auteur et pas nécessairement celles de The Maritime Executive.