Inépuisable, non polluant et intéressant énergétiquement, l'hydrogène semble aujourd'hui paré de toutes les vertus. Peut-on pour autant imaginer une économie basée essentiellement sur l'utilisation de ce gaz, permettant à terme de se substituer aux carburants fossiles générateurs de CO2 ?

Parce qu'il possède la structure atomique la plus simple, l'hydrogène est le plus léger de tous les éléments chimiques présents dans la classification périodique de Mendeleïev. Gazeux à température ambiante, il devient liquide en dessous de 253 °C. Sur Terre, on trouve de l'hydrogène un peu partout et notamment dans l'eau (chaque molécule d'eau comporte deux atomes d'hydrogène liés à un atome d'oxygène). Les océans couvrant 70 % du globe, l'hydrogène est largement répandu sur notre planète. On en trouve également dans les hydrocarbures qui, comme leur nom l'indique, proviennent de la combinaison d'atomes de carbone et d'hydrogène. Sans oublier la biomasse qui est une autre source potentielle d'hydrogène, tout organisme vivant, animal ou végétal en étant composé.

En dépit de son abondance, il faut savoir que l'hydrogène n'est quasiment pas disponible à l'état naturel car toujours associé à de l'oxygène (eau) ou à du carbone (hydrocarbures, biomasse). C'est en partie grâce à sa grande abondance que l'hydrogène suscite un vif intérêt mais c'est aussi parce que la combustion de l'hydrogène avec l'oxygène de l'air ne produit que de la chaleur et de l'eau, donc aucune pollution. Autant d'atouts de taille qui font qu'aujourd'hui certains envisagent une économie où l'hydrogène remplacerait les carburants connus et où il serait par ailleurs une source d'électricité.

En effet, hydrogène et électricité se marient bien : on peut passer de l'un à l'autre en utilisant les systèmes de l'électrolyse de l'eau et de la pile à combustible. L'électrolyse de l'eau décompose l'eau en hydrogène et oxygène tandis qu'en sens inverse, la combustion de l'hydrogène avec de l'oxygène redonne de l'eau.

Comment produire de l'hydrogène ?

Il ne s'agit pas d'une source d'énergie primaire. L'hydrogène est ce que les spécialistes appellent un « vecteur d'énergie », c'est-à-dire une énergie qui n'est pas directement accessible – comme le pétrole – mais qui doit être extraite ou fabriquée avant d'être transportée, stockée et utilisée. Tout comme l'électricité, si on veut produire l'hydrogène pour disposer d'une source d'énergie utilisable, il faut d'abord dépenser… de l'énergie ! Ainsi l'hydrogène doit-il avoir été préalablement extrait de l'eau, par exemple par électrolyse. Heureusement, il a l'avantage d'être un vecteur énergétique stockable, qui en outre ne génère pas de gaz à effet de serre… des qualités remarquables et remarquées.

Actuellement, l'hydrogène est produit pour l'essentiel (entre 95 et 96 %) à partir de combustibles fossiles – de gaz naturel principalement – par « reformage ». Peu coûteux, ce procédé présente néanmoins l'inconvénient de rejeter beaucoup de CO₂. L'autre procédé de production, par électrolyse, serait avantageux si on utilisait une électricité fournie au moindre coût. Cette méthode est encore très peu utilisée (elle n'intervient que pour 1 à 2 % de l'hydrogène produit) et n'est mise en œuvre que lorsqu'une grande pureté est nécessaire. En revanche, on estime qu'à un horizon plus lointain (2030-2050), la chaleur de réacteurs nucléaires haute température de nouvelle génération permettra de dissocier directement les molécules d'eau.

Les différentes utilisations

L'hydrogène est, pour l'instant, davantage un produit chimique qu'un vecteur énergétique, cet aspect étant limité à la propulsion des lanceurs spatiaux modernes comme Ariane V ou la navette spatiale. Chaque lancement de la fusée européenne consomme ainsi 25 tonnes d'hydrogène et un lancement de navette spatiale 617 tonnes. Ce gaz est d'abord utilisé en pétrochimie, notamment pour hydrogéner des huiles lourdes, trop riches en carbone, lors du raffinage du pétrole, ou encore pour obtenir des carburants à faible teneur en soufre. Il est ensuite une des matières de base de l'industrie chimique où on l'utilise pour produire de l'ammoniac et du méthanol, ainsi que des colorants et du peroxyde d'hydrogène (plus connu sous le nom d'eau oxygénée).

On l'utilise aussi pour le traitement des eaux, pour la désinfection des emballages alimentaires sur les machines de conditionnement mais également comme antiseptique. Les autres grands domaines d'utilisation concernent la métallurgie, l'électronique (puces d'ordinateurs), la pharmacologie, l'industrie verrière et même le traitement de produits alimentaires. Il sert également dans la fabrication de savons industriels, de peintures et autres vernis. Pour couvrir tous ces besoins industriels, 45 à 50 millions de tonnes de ce gaz sont produits annuellement. Or, utiliser l'hydrogène comme vecteur énergétique supposerait de multiplier pratiquement par 100 cette production.

Un stockage difficile

Le stockage de l'hydrogène est techniquement coûteux du fait de sa très faible densité mais aussi en raison de sa très basse température de liquéfaction. Et si l'état liquide s'impose pour les grandes quantités (dans son utilisation comme carburant spatial par exemple), le stockage à l'état gazeux sous pression est préférable quand les quantités ne dépassent pas quelques dizaines de kilogrammes.

Ce serait le cas en tant que carburant automobile. Un carburant qu'il faudrait pouvoir stocker à l'état gazeux de façon aussi banale et sûre que le butane. C'est pourquoi, afin de réduire l'encombrement des réservoirs, l'hydrogène devrait être comprimé sous une pression de 700 bars. De tels réservoirs sont développés depuis plusieurs années et en cours d'homologation. Mais même dans ces conditions, il ne faut pas moins de 4,6 litres d'hydrogène pour obtenir autant d'énergie qu'avec 1 litre d'essence ! Le risque de fuite doit également être pris en considération, compte tenu du caractère inflammable et explosif de ce gaz dans certaines conditions de confinement.

En effet, en raison de la petite taille de sa molécule, l'hydrogène est capable de traverser de nombreux matériaux, y compris certains métaux. Cette dangerosité est toutefois relative, car si ce gaz s'échappe facilement, il se diffuse également très vite dans l'air et se disperse quatre fois plus vite que le gaz naturel.

Distribution centralisée ou décentralisé

À l'instar de ce qui existe aujourd'hui pour les carburants pétroliers, la distribution de l'hydrogène devra rendre ce carburant disponible en tout lieu, d'une manière commode, en toute sécurité et à un prix abordable ; ce qui implique de créer une infrastructure de transport et de distribution adaptée.

Deux possibilités se présentent. Le premier mode est dit « centralisé » avec une production extérieure et un acheminement par route, voie ferrée ou gazoduc. Des réseaux de distribution d'hydrogène par pipelines (environ 1 000 km en France, en Allemagne et au Benelux) existent déjà pour approvisionner les industries chimiques et pétrochimiques. Ainsi dispose-t-on d'une bonne maîtrise du transport d'hydrogène, mais son coût d'acheminement est environ 50 % supérieur à celui du gaz naturel. L'autre mode, dit « décentralisé », repose sur la réalisation de stations-service spécifiques qui le produiraient sur place. Il suppose de résoudre encore quelques problèmes techniques, notamment de sécurité afin que le risque pris par l'utilisateur ne soit pas supérieur à celui d'une borne de distribution d'essence classique. Une quarantaine de stations pilotes de distribution d'hydrogène (sous pression et cryogénique) existent déjà dans le monde, notamment aux États-Unis, au Japon, en Allemagne, en Espagne, en France et en Islande. Le coût moyen d'une station-service « hydrogène » est estimé à 200 000 €.

En attendant que de telles stations-service se généralisent, certains constructeurs envisagent d'utiliser des carburants contenant pour partie de l'hydrogène. L'hydrogène serait alors directement produit à bord du véhicule, par reformage de méthanol, d'essence ou de gazole, ce qui serait moins contraignant. Mais, dans ce cas, on ne peut pas vraiment parler de véhicules à hydrogène ; d'autant que le reformage produirait du dioxyde de carbone.

Les programmes de recherche en cours

De nombreux pays à travers le monde sont engagés dans des travaux de recherche et de développement sur l'hydrogène et les piles à combustible. C'est le cas de l'Allemagne (Daimler Chrysler, Siemens), des États-Unis, du Canada (Sté Ballard), du Japon et de la France (CEA et CNRS notamment) où des sociétés (Helion, par exemple) réalisent déjà des prototypes. Les travaux actuels portent surtout sur le mode de production, le stockage et la sécurité. Concevoir des réservoirs tout à la fois compacts, légers, sûrs et peu coûteux est déterminant car c'est sa possibilité de stockage qui rend l'hydrogène attractif par rapport à l'électricité. Une alternative consisterait à stocker l'hydrogène dans certains matériaux carbonés ou dans certains alliages métalliques capables de l'absorber pour le restituer à volonté. Concernant les risques d'explosion, des travaux sont en cours à l'Ineris et au CEA en France, ainsi que chez Linde en Allemagne. Diverses actions de promotion de l'hydrogène auprès du grand public sont menées dans le monde, notamment aux États-Unis par le biais de la California Fuel Cell Partnership (CaFCP), au Canada (Sté Ballard), au Japon (programme We-Net du MITI) et en Allemagne. Des associations, comme l'Association française de l'hydrogène ou Alphea en France, et EHA en Europe, œuvrent également en ce sens.

Un choix autant politique et stratégique que technique

Aux États-Unis, le « Strategy Plan for Hydrogen Program » a reçu 30 millions de dollars en 2001 et, en janvier 2003, le président George W. Bush a par ailleurs annoncé que 1,2 milliard de dollars serait alloué aux recherches sur l'hydrogène. En ce qui concerne l'Union européenne, le 7^e PCRD (Programme-cadre en recherche et développement) recevra 2,8 milliards d'euros de fonds publics et privés sur dix ans. La ville de Londres a, pour sa part, créé en avril 2002 une nouvelle organisation (London Hydrogen Partnership) qui prévoit de mettre en service trois bus dotés d'une pile à combustible. Les recherches en cours permettent d'envisager les premiers marchés pour la production d'électricité et de chaleur à partir d'hydrogène dès 2008 et les premières flottes automobiles à l'horizon 2010-2015.

Cette implication des États et des collectivités aux côtés des entreprises laisse à penser que la place significative que l'hydrogène devrait occuper à plus ou moins long terme résultera autant de choix politiques que d'avancées techniques.

Déjà, nombreux sont ceux qui pensent que l'hydrogène sera, dans le futur, le meilleur vecteur énergétique et que les problèmes (technologiques, sécuritaires, réglementaires et sociaux) associés à son développement trouveront une solution dans les dix ans à venir, notamment dans le secteur des transports. Certes, la transition complète vers une « économie de l'hydrogène » prendra quelques décennies supplémentaires. Mais nous serions alors entrés dans une nouvelle ère.