L’hydrogène, un vecteur énergétique prometteur

La planète Terre fait face aujourd’hui à un dérèglement climatique de taille. La banquise et les glaciers reculent, les déserts gagnent du terrain, les barrières de corail disparaissent, les canicules apparaissent à une fréquence de plus en plus importante et le niveau des mers augmente rapidement. Même si la hausse des températures et les perturbations climatiques à venir ne peuvent être prévues avec exactitude, il est certain que leurs conséquences sur l’environnement et sur l’homme seront importantes. D’après le rapport publié en 2014 par le groupe d’experts intergouvernemental sur l’évolution du climat (GIEC), les changements climatiques observés au cours de ces dernières décennies sont sans précédent. L’activité humaine croissante en est la principale cause. Les émissions de gaz à effet de serre rencontrés dans le protocole de Kyoto ont augmenté de 80 % depuis 1970, et de 30% depuis 1990 pour atteindre 49 Giga tonnes équivalent CO2 en 2010. Selon les scénarios actuellement envisagés, la température moyenne globale terrestre augmentera d’ici le siècle suivant de 1.4°C dans le cas le plus favorable, à 5.8°C dans la pire des situations.

En décembre 2015, la France a présidé et accueilli la 21e conférence des parties à la convention-cadre des Nations Unies sur les changements climatiques (COP21). Cette échéance cruciale a abouti à un accord universel et ambitieux sur le climat dont l’objectif est de s’efforcer de contenir la hausse des températures entre 1.5°C et 2°C. Les émissions mondiales de gaz à effet de serre doivent être réduites de 40 à 70 % d’ici 2050 par rapport aux niveaux de 2010 et atteindre des niveaux proches de zéro Giga tonnes équivalent CO2 en 2100. 195 pays ont la volonté d’aboutir, pour la première fois, à un accord universel et contraignant permettant de lutter efficacement contre le dérèglement climatique et d’inciter la transition vers un modèle de consommation pauvre en carbone. Cet accord devrait entrer en vigueur en 2020, et traitera à la fois de l’atténuation des émissions de gaz à effet de serre et de l’adaptation des sociétés aux dérèglements climatiques existants et futurs. Pour réduire de manière drastique les émissions de gaz à effet de serre, les pays devront enclencher un changement radical. Le système actuellement fondé sur la surconsommation énergétique et l’utilisation d’énergies polluantes devra basculer vers une économie moins consommatrice en énergie et reposant sur des énergies renouvelables. Ce changement aura un impact sur tous les niveaux sociétaux, que ce soit la transition des moyens de transport polluants à une mobilité durable, les modes de consommation et de production, les accords économiques internationaux, la fiscalité, les choix d’investissement des entreprises ou encore les soutiens accordés par les banques.

Parmi les solutions innovantes présentées lors de la COP21 pour lutter contre ces changements climatiques, l’hydrogène apparait comme un carburant alternatif nécessaire au développement de solutions de transports propres. En Allemagne, des voitures et transports en communs fonctionnants à l’hydrogène circulent d’ores et déjà sur les routes. L’hydrogène stocké sous pression est mis au contact de l’oxygène dans une pile à combustible. Les deux éléments se combinent pour former de la vapeur d’eau et générer de l’électricité. La vapeur est rejetée par le pot d’échappement et l’électricité permet d’alimenter le moteur. D’ici la fin de l’année 2016, le déploiement de la mobilité hydrogène en France vise l’installation d’une vingtaine de stations de recharge pour plus de 600 véhicules fonctionnant à l’hydrogène. A l’heure actuelle la technologie de réservoir utilisée nécessite une compression de l’hydrogène qui peut s’avérer contraignante au regard des pressions atteintes (350 et 700bar). Le stockage de l’hydrogène dans une matrice solide semble quant à lui prometteur. Différents types de matériaux solides peuvent emmagasiner l’hydrogène tels que les hydrures complexes ou les matériaux nano poreux. Ces familles de matériaux ont tout de même l’inconvénient de réagir violemment au contact de l’eau ou de nécessiter des températures de fonctionnement extrêmes. Le stockage sous forme d’hydrure intermétallique où les atomes d’hydrogène s’insèrent dans la structure métallique ne présente pas ces problèmes et peut même être utilisé dans des conditions de pression et de température proches des conditions ambiantes.

Les alliages de structure cubique centrée élaborés à partir de titane, de vanadium et de fer ont l’intérêt d’être plus légers que les matériaux à base de terres rares comme le LaNi5. Autre avantage, ces composés se présentent sous la forme d’une solution solide ce qui permet un ajustement des pressions de fonctionnement à une température donnée. Le prix élevé des précurseurs employés dans l’élaboration de ce type de matériau hydrurable constitue le principal frein à son utilisation à grande échelle. Une solution pour diminuer ces coûts de production serait de réaliser les matériaux intermétalliques à partir de précurseurs de plus faible pureté comme le ferro-vanadium (alliage constitué principalement de fer et de vanadium), qui est bien moins cher à l’achat.

C’est en ce sens que l’étude proposée dans cette thèse s’oriente, notamment pour déterminer si la pureté des précurseurs utilisés dans l’élaboration de ces alliages intervient sur les propriétés de stockage de l’hydrogène des hydrures formés.

Sont appelées énergies primaires toutes sources d’énergies disponibles dans la nature avant transformation. Elles peuvent être soit épuisables (énergies fossiles comme le charbon, le pétrole, le gaz naturel, ou encore l’uranium), soit renouvelables (énergies hydraulique, éolienne, géothermique, solaire, ou biomasse).

Ces énergies primaires sont transformées en énergies secondaires (carburants, électricité). Cette transformation d’une énergie en une autre se fait toujours avec une perte. Le ratio entre l’énergie secondaire produite et l’énergie primaire utilisée s’appelle le rendement de l’unité de transformation d’énergie.

En termes de consommation d’énergie à l’utilisation, l’énergie finale peut être une énergie primaire consommée directement ou une consommation indirecte sous forme d’énergie secondaire.

L’unité officielle de mesure de l’énergie est le Joule (J). La puissance correspond à la consommation d’énergie de un joule en une seconde. L’unité de la puissance est le Watt (W). La production et la consommation d’énergie sont cependant exprimées en kiloWatt-heure (kWh). Il correspond à l’énergie consommée par un appareil ayant une puissance d’un kiloWatt pendant une durée d’une heure. Un million de joules représente 0.2778 kWh. La comptabilité des énergies au niveau international est ramenée, par convention, à la tonne d’équivalent pétrole, tep. Une tonne d’équivalent pétrole vaut 41.8 Giga Joules soit 11.6 MWh [1,2].

On appelle énergies fossiles toutes énergies issues de la matière vivante, végétale ou animale. Le charbon, le pétrole et le gaz naturel sont les trois principales familles d’énergies fossiles. Elles proviennent de la transformation de la biomasse enfouie depuis plusieurs milliers voire millions d’années. Avec l’apparition de la « révolution industrielle » au XIXème siècle, l’utilisation de ces énergies comme combustible s’est largement développée.

Le charbon s’est formé il y a plus de 280 millions d’années à partir de végétaux engloutis par les eaux lors de bouleversements géologiques importants. Il existe différents types de charbon (l’anthracite, la houille, le lignite ou encore la tourbe) présentant des pouvoirs énergétiques différents. Le charbon a marqué la première révolution industrielle. Si bien que sa consommation mondiale a connu une progression annuelle moyenne de +4,3% entre 1800 et 1900 [3].

Il est la source d’énergie fossile la plus abondante et la mieux répartie dans le monde. On estime que les réserves de charbon sont de l’ordre de 509,5 milliards de tonnes. La majeure partie de ces réserves est localisée aux Etats-Unis (21,9%), en Inde (14,3%), en Chine (12,2%), et en Australie (9,3%). Au début du 20ème siècle, le charbon était l’énergie fossile dominante. Aujourd’hui il a été supplanté par le pétrole mais reste très présent puisque le charbon représente encore près de 25% de la consommation mondiale d’énergie primaire dans le monde. Au rythme actuel d’extraction, l’industrie charbonnière a encore environ 230 années d’activité.

Le pétrole est la première source d’énergie mondiale. Il résulte de la dégradation thermique de restes fossilisés de végétaux aquatiques ou terrestres et de bactéries s’accumulant au fond des océans. Ce processus se produit à de grandes profondeurs et dure plusieurs millions d’années. Produit facile à manipuler, transporter ou stocker, le pétrole va rapidement remplacer le charbon dans les années 60. Suite aux chocs pétroliers des années 70 et 80, la demande en pétrole connaît une fluctuation importante pour arriver à une hausse de + 2,4% de 1986 à 1989. Aujourd’hui, le pétrole représente près de 39% de la consommation mondiale d’énergie primaire dans le monde.

Table des matières

Introduction
1. Quelles sont les différentes sources d’énergies ?
1.1. Quelques définitions
1.2. Les énergies fossiles
1.2.1. Le charbon
1.2.2. Le pétrole
1.2.3. Le gaz
1.3. Les énergies renouvelables
1.3.1. L’énergie hydraulique
1.3.2. L’énergie solaire
a. Le photovoltaïque
b. Chauffe-eau solaire
c. Centrale solaire à concentration
1.3.3. Energie éolienne
1.3.4. Energie géothermique
1.3.5. Energies de la biomasse
a. Biomasse solide
b. Biogaz
c. Biocarburants
1.4. Les énergies Nucléaires
1.4.1. La fission nucléaire
1.4.2. La fusion thermonucléaire
1.5. Comment ces énergies sont-elles produites et consommées au niveau mondial?
1.6. La consommation d’électricité au niveau international
1.7. Le lien entre énergie et environnement
1.7.1. Les gaz à effet de serre
1.7.2. Les déchets radioactifs
2. L’hydrogène, un vecteur énergétique prometteur
2.1. L’histoire de l’hydrogène
2.2. Comment l’hydrogène est-il produit ?
2.2.1. Le reformage à la vapeur
2.2.2. L’oxydation partielle
2.2.3. Le reformage autotherme
2.2.4. L’électrolyse de l’eau
2.3. Les différentes formes de stockage de l’hydrogène
2.3.1. Le stockage sous pression
2.3.2. Le Stockage sous forme liquide
2.3.3. Le stockage sous forme solide
a. La physisorption
b. La chimisorption
2.3.4. Comparaison des différentes techniques de stockage
2.4. Vers quelles applications tend l’utilisation de l’hydrogène
3. L’hydrogène stocké sous forme d’hydrures métalliques
3.1. Les mécanismes de sorption
3.2. Leurs propriétés structurales
3.3. Leurs propriétés thermodynamiques et cinétiques
3.3.1. Règle des phases de Gibbs
a. Variance du système
b. Isotherme pression composition
3.3.2. Cas réel
3.4. Les différentes familles d’hydrure métallique
3.4.1. Les composés de type AB
3.4.2. Les composés de type AB2
3.4.3. Les composés de type AB5
3.4.4. Les solutions solides cubiques centrées
Conclusion

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