Le fil perdu de la filière hydrogène

by Michel de Rougemont

23. September 2020

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• Klima
• Kraftstoff
• Mobilität
• Wasserstoff

English translation on the autor’s blog
L’engouement général pour l’hydrogène fait l’objet de critiques certes justifiées mais qui souvent restent confuses à force de tout mélanger.
Essayons d’y voir clair.

1. La question du pourquoi.
   Tant que d’autres solutions énergétiques sont à disposition il n’y a aucune raison de promouvoir ce réactif chimique au rang de vecteur énergétique de masse.
   Ce n’est que par la création ex nihilo d’un besoin de transition énergétique (« mesure climatiques », urgentes par-dessus le marché) combinée avec des divagations électriques (« peur du nucléaire ») que son intérêt a fait surface.
2. Bégayements du nouveau courant électrique.
   Les nouvelles sources d’énergie actuelles ne sont ni renouvelables (car à reconstruire tous les 25 ans) ni pilotables car en grande partie de fonctionnement intermittent.
   Cela n’a rien à voir avec l’hydrogène sauf, éventuellement, avec son planning de production si elle devait dépendre de telles sources primaires.
3. Énergie chimique.
   L’hydrogène est très singulier, en haut à gauche du tableau des éléments, un puissant réducteur, avant tout un réactif chimique industriel.
   De son côté, le CO₂ est tout cuit, oxydé à fond, d’enthalpie de formation très négative (‑393,5 kJ/mole) ; idem pour H₂O (-285,8 kJ/mole à l’état liquide).
   Que les énergéticiens cessent d’oublier cela ! Car cesser d’oublier est plus important que se souvenir, cela demande un autre effort, celui de l’ouverture d’esprit.
   85% de l’approvisionnement énergétique du monde sont de nature chimique, par une réaction d’oxydation appelée combustion dont les produits sont, en fin de compte, eau et gaz carbonique.
4. Mobilité sans fil.
   La forme liquide des carburants carbonés a l’avantage d’une grande densité énergétique qui rend possible leur embarquement dans des véhicule automobiles : voitures, camions, locomotives diesel, avions, navires. Selon BP, le transport consommait 20,7% de l’énergie mondiale en 2018.
   Le problème de la mobilité autonome est posé par toute « transition énergétique » qui vise à éliminer la disponibilité de ces liquides issus du pétrole.
   L’électricité, qui ne se stocke pas, n’est pas en soi la solution à ce problème. Il faut alors un autre mode de stockage embarquable, par exemple un métal réducteur comme le lithium à recharger dans des batteries, des volants à inertie à relancer en fin de course ou de l’air comprimé à pomper sans trop chauffer. Tout cela est lié à des déperditions d’énergie importantes et dont on ne parle presque pas lorsque le désir de l’alternative dépasse le sens des proportions.
5. Solutions à un problème posé à l’envers.
   Le marketing politique a découvert l’hydrogène et ne sait pas vraiment comment le positionner.
   Il faut distinguer son usage comme vecteur énergétique ou comme réactif de chimie de synthèse :
   1. Le premier doit être stocké et distribué, ce qui pose pas mal de problèmes logistiques et de sûreté avant de le brûler dans des moteurs thermiques ou dans de couteuses piles à combustible qui animent des moteurs électriques.
      Il paraît particulièrement couillon (donc « écologique ») de produire de l’hydrogène pour ensuite simplement le brûler.
   2. Le second peut être utilisé là où il est produit pour synthétiser des carburants liquides. Une des réactions proposées est celle de la réduction du CO₂ en méthane et autres hydrocarbures et composés organiques. Pour cela il faut du CO₂ concentré, ce qui n’est pas le cas de l’air où il est dilué à 410 ppm.
6. Production carbonée ou non.
   Quel que soit l’emploi auquel il est destiné, il faut d’abord produire l’hydrogène qui, contrairement à ce que disent bien des ahuris officiels, n’a pas de couleur selon son origine.
   Les deux premiers sont des procédés industriels existants, les autres sont possibles quoique non réalisés à une échelle significative pour commencer à y penser industriellement.
   1. La combustion partielle du méthane (gaz naturel) en présence d’eau, aussi appelée reformage ou vaporeformage (c’est le mode actuel le plus important).
      Sous-produit de ce procédé : le fameux CO₂!
   2. L’électrolyse de l’eau, un peu salée mais pas trop afin qu’elle conduise l’électricité, avec la variante de l’hydrogène sous-produit de la fabrication du chlore et de la soude par électrolyse de saumure. La stabilité des électrodes et des membranes reste un défi. Les rendements énergétiques sont au mieux d’environ 80%.
      Autant d’oxygène est produit que d’hydrogène.
   3. La pyrolyse du méthane à très haute température, donnant de l’hydrogène et du noir de carbone dont il faudrait trouver des emplois en quantités stœchiométriques correspondantes.
   4. La décomposition thermochimique de l’eau, supposément prometteuse d’un point de vue thermodynamique mais avec de grands points d’interrogation quant aux matériaux de construction et à la durée de vie des installations aux températures considérées (1500 – 2000 °C).
   5. D’autres voies décomposant de l’eau en passant par le biais d’oxydoréductions à très haute température d’autre sels, cérium, cuivre, etc. Un domaine encore réservé aux professeurs Tournesols de ce monde.
7. Surdimensionnement nécessaire.
   Si la production d’hydrogène doit être liée aux errements de l’intermittence de la production électrique, alors la conduite du processus de fabrication devra y être adaptée, ce qui n’est pas automatiquement fait après l’avoir dit, et il faudra installer une capacité instantanée de production apte à absorber les hauts pics de génération de courant.
8. Inefficience : fatalité thermodynamique.
   En tous les cas, l’usage de l’hydrogène, vecteur ou réactif, est lié à la fatalité thermodynamique qui dit que ni les enthalpies de formation des composés en jeu (CO₂, H₂O, H₂, O₂, CH₄, etc.) ni les cycles de chauffage et de refroidissement ne font le yoyo sans de grandes pertes d’énergie.
   En d’autres termes : pour obtenir une unité d’énergie utile aux roues d’un véhicule il faudra en avoir extrait bien plus, deux à trois fois peut-être, à partir des sources primaires politiquement correctes que sont l’irradiation solaire, le vent, les pluies faisant ruisseaux et rivières, la géothermie, la biomasse et les matières fissiles (pas si correctes pour certains anxieux). Donc travailler plus pour faire moins.
9. Sûreté maîtrisable.
   Quelle que soit la succession des processus il faudra que ce soit sûr, problème qui ne doit pas être surestimé au prétexte des dangers inhérents à ce gaz, surtout si son usage reste au niveau industriel comme c’est le cas aujourd’hui.
   Pouvant exploser dans une vaste plage de concentration dans l’air, sa distribution grand public présente des dangers, bien que les risques associés aux hautes pressions et aux fuites possibles soient maîtrisables.
10. Devoir de R&D.
    Techniquement possible ne signifie pas pour autant efficient ou souhaitable.
    La technique permet dès aujourd’hui de réaliser toutes ces transformations, bien que de manière très inefficiente, selon des procédés dont on ne sait pas si les équipements peuvent tenir quelques semaines ou des dizaines d’années et qui devraient être surdimensionnés. On ne parlera pas du prix des installations ni des coûts de production, bien trop élevés en tous les cas.
    Il reste à développer des procédés efficaces et à s’assurer de la viabilité des installations qui sont à concevoir. Le temps n’est pas encore venu de procéder à des investissements autres que de R&D dans ce domaine.
11. Grandeur démesurée pour écolo farouche.
    Rien ne dit qu’une quelconque « filière hydrogène » puisse un jour apporter la solution nécessaire à une transformation des modes de propulsion dans le monde.
    Comme on dit que disait Staline : « la quantité a une qualité en soi ».
    Les ordres de grandeur mis en cause sont difficiles à saisir, ce qui est un problème de qualité de notre intellect, en particulier si l’on est un écolo pour qui seule l’anecdote bien choisie compte.
    Faisons parler un seul chiffre actuel : produire de l’électricité pour mettre à disposition du secteur du transport autant d’énergie qu’aujourd’hui mais sous forme d’hydrogène, soit 119 EJ (exajoules, 10¹⁸ Joules), nécessiterait la construction de 3240 centrales nucléaires modernes de 1600 MW chacune, ou 6,2 millions d’éoliennes de 3 MW, ou 283 000 km² de panneaux photovoltaïques en un endroit bien placé (pas en Suisse qui ne fait que 41 285 km²). Et ce sera encore plus dans l’avenir car la croissance le demandera.
    Ne serait-ce que pour produire de l’hydrogène, le parc nucléaire mondial devrait être 6 fois plus grand qu’aujourd’hui, ou alors il faudrait 12 fois plus d’éoliennes qu’il y en a actuellement dans le monde, ou des surfaces de panneaux solaires 24 fois plus étendues. Dans ces deux derniers cas, les électrolyseurs devraient être surdimensionnés d’un facteur 4 à 6 afin d’être en mesure d’absorber les pics de courant produit au midi d’un jour ensoleillé ou lorsque le vent souffle très fort, quitte à ne pas fonctionner la nuit et pendant les jours de calme éolien.
    Ce sont alors les actifs immobilisés qui chôment la plupart du temps, le personnel d’exploitation aussi.
12. The economy, stupid.
    Finalement, en dépit de la posture idéologique de la pensée dominante décrite au point No 1, il faudra que toute mise en œuvre d’une technologie associée à l’hydrogène se fasse de manière économique, c’est-à-dire plus attractive que les autres solutions, aujourd’hui carbonées. Et ce, on n’insistera jamais assez, sans que les termes de comparaison économique ne soient biaisés par des interventions étatiques, fiscales et autres dirigismes, qui ne dépendent que de la versatilité ou de la pusillanimité des éphémères classes politiques.
    En l’état actuel de la technique, les inefficiences inhérentes à toutes les étapes envisageables laissent douter de la compétitivité de ces technologies, même à terme de plusieurs décennies, bien que cela puisse aller plus vite. Il faut donc cesser d’écrire des rapports remplis d’acronymes incompréhensibles et de calculs inutiles, cesser de faire des effets d’annonce à ce sujet, et travailler selon le point 10 ci-dessus, ce qui prendra son temps.

L’avenir a un beau futur, et vice versa.

Article publié aussi sur Europeanscientist ainsi que sur le Blog de l’auteur

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Rougemont Michel de

Michel de Rougemont, 1947, est ingénieur chimiste et Dr sc. tech. de l’École Polytechnique Fédérale de Lausanne. Il a aussi suivi le "Advanced Management Program” de la Harvard Business School.
Dès 1975 il a occupé chez Ciba-Geigy des postes variés en développement de procédés et en production chimique en Suisse, France, Espagne et États-Unis. De 1991 à 2001 il est membre de la direction générale de la division protection des plantes comme directeur du département Production et Technologie, puis responsable de l’intégration de ce secteur lors de la fusion Novartis ; ensuite il y est Directeur de la région Europe de l'Ouest de Novartis Crop Protection. Il a aussi présidé de 1994 à 2003 le conseil d’administration de SF-Chem, société de chimie fine et de base dans la région bâloise. Il s’est établi comme consultant indépendant dès 2002 (www.mr-int.ch). Il a dirigé MYCOSYM, une entreprise espagnole dédiée aux inocula mycorhize, bio-stimulants pour les plantes.
Il a publié un essai intitulé « Réarmer la raison. De l’écologie raisonnée à la politique raisonnable » dans lequel la situation factuelle est mise en contraste avec dogmes et alarmismes irraisonnés. Il a aussi publié un essai critique « Entre hystérie et négligence climatique».
Il anime un blog blog.mr-int.ch,un site sur le climat climate.mr-int.ch et un autre site sur le contrôle biologique en agriculture biologicals.mr-int.ch.

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