Hydrogène et piles à combustible

Améliorer la qualité de l'air pour atteindre les objectifs net zéro

Qu'est ce que l'hydrogène?

L'hydrogène est un gaz naturel et est la substance la plus abondante dans l'univers, contribuant à 75% de la masse de l'univers. C'est l'élément chimique 'H' correspondant au numéro atomique '1'. C'est un gaz invisible et l'élément le plus léger.

L'hydrogène peut être produit à partir d'une variété de ressources, telles que le gaz naturel, l'énergie nucléaire, le biogaz et les sources d'énergies renouvelables telles que le solaire et l'éolien.

  • Vert: l'hydrogène est produit en utilisant de l'électricité propre provenant de sources d'énergie renouvelable excédentaire, telles que l'énergie solaire ou éolienne, afin d'électrolyser l'eau. Les électrolyseurs utilisent une réaction électrochimique pour diviser l'eau en ses composants d'hydrogène et d'oxygène, émettant zéro dioxyde de carbone dans ce processus. On peut également parler d'hydrogène jaune lorsqu'on utilise l'électrolyse avec l'énergie solaire.
  • Blanc/Or: L'hydrogène blanc est un hydrogène géologique naturel que l'on trouve dans les gisements souterrains et qui est créé par fracturation. L'hydrogène blanc peut être renouvelable. Il est non polluant et offre des coûts inférieurs à ceux de l'hydrogène industriel.
  • Bleu: l'hydrogène est principalement produit à partir de gaz naturel (par reformage à la vapeur), qui associe du gaz naturel et de l'eau chauffée sous forme de vapeur. Du dioxyde de carbone est également produit en tant que sous-produit, créant des gaz à effet de serre. L'hydrogène bleu inclut l'utilisation de la capture et du stockage du carbone (CSC) pour piéger et stocker ce carbone.
  • Gris: c'est le type d'hydrogène le plus fréquemment produit. L'hydrogène gris est créé à partir de gaz naturel, ou méthane, en utilisant la reformation du méthane à la vapeur mais sans capturer les gaz à effet de serre produits dans le processus. L'hydrogène gris est essentiellement identique à l'hydrogène bleu, mais sans l'utilisation de la capture et du stockage du carbone.
  • Noir/ Marron: l'opposé de l'hydrogène vert, fabriqué à partir de charbon noir ou de lignite (charbon brun) et le plus dommageable pour l'environnement.
  • Rose/Violet/Rouge: l'hydrogène est généré par électrolyse alimentée par l'énergie nucléaire.
  • Turquoise: l'hydrogène est produit en utilisant un processus appelé pyrolyse du méthane pour produire de l'hydrogène et du carbone solide.

  • Les piles à combustible utilisent un processus chimique pour convertir l'hydrogène en électricité. Une pile à combustible à l'hydrogène fonctionne en faisant passer l'hydrogène à travers l'anode, où il est divisé en électrons et en protons. Les électrons circulent à travers un circuit externe pour produire de l'électricité, tandis que les protons traversent une membrane vers la cathode. À la cathode, les électrons, les protons et l'oxygène de l'air se combinent pour former de l'eau.
  • Les moteurs à combustion d'hydrogène brûlent de l'hydrogène, produisant de la puissance par combustion, tout comme les moteurs conventionnels.

  • Les piles à combustible à hydrogène ne produisent aucune émission, à l'exception de la vapeur d'eau et de l'air chaud.
  • Les moteurs à hydrogène ne rejettent pratiquement aucune trace de CO2 (provenant de l'air ambiant et de l'huile de lubrification), mais produisent des niveaux très élevés d'oxydes d'azote (NOx). La combustion de l'hydrogène, comme toute réaction de combustion qui porte l'air à haute température, crée des polluants nocifs appelés NOx. Ceux-ci sont liés au smog, aux pluies acides et à des effets néfastes sur la santé tels que l'asthme et les infections respiratoires. Par conséquent, ils ne conviennent pas à une utilisation à l'intérieur et nécessitent un traitement des gaz d'échappement pour réduire les émissions de NOx, ce qui entraîne une réduction supplémentaire de l'efficacité et une augmentation des coûts.

  • L'hydrogène présente des émissions de gaz à effet de serre de 0 % et peut donc contribuer à une diminution rapide des émissions moyennes de GES pour le transport maritime. L'industrie maritime est confrontée à une législation de plus en plus stricte en matière d'émissions atmosphériques et de climat, où l'hydrogène produit à partir d'énergies renouvelables (hydrogène vert) a été identifié comme un combustible pouvant offrir une solution à émissions de carbone "quasi nulle" de la production jusqu'à l'utilisation.
  • En raison de la faible densité énergétique volumétrique de l'hydrogène (ce qui augmenterait les besoins en stockage à bord d'un navire), les navires alimentés à l'hydrogène pourraient se révéler être une solution plus appropriée pour le transport maritime côtier plutôt que pour le transport maritime en haute mer.

L'hydrogène propre

L'hydrogène propre représente un carburant majeur pour décarboner le secteur maritime.

Tendances émergentes

  • Renforcement des réglementations antipollution : voies navigables intérieures et zones réglementées
  • Croissance du marché mondial des bateaux à moteur électrique
  • Baisse des couts des énergies renouvelables pour permettre l’essor de l’hydrogène vert : baisse de 80 % des prix des énergies renouvelables depuis 2010
  • Estimation d'augmentation de par 500 de la demande entre 2019 et 2050, évitant ainsi l'émission de 6 milliards de tonnes de CO2 par an.

Règlementation mondiale

  • Accord de Paris & Zéro Net : plus de 66 pays ont des objectifs de zéro net d'ici 2050, dont 39 ont des stratégies liées à l'hydrogène.
  • Organisation maritime internationale : réductions de CO2 de 40 % d'ici 2030 et de 100 % d'ici 2050.
  • Global Maritime Forum : Amener les industries à développer des bateaux à zéro émission d’ici 2030
  • Hydrogen Council: + de 150 membres

Pertinence de l'hydrogène

  • Désigné comme étant un carburant essentiel pour décarboner le transport maritime
  • Plus pratique et plus économique que les batteries au lithium pour les longues distances
  • L’hydrogène s’affranchit des précédentes limitations liées aux énergies renouvelables en apportant une solution aux problèmes de stockage et d’intermittence

Comment fonctionnent les piles à combustible PEM

Tout comme les batteries, les piles à combustible fonctionnent grâce à des réactions électrochimiques entre l'anode ou la cathode et la membrane électrolytique, mais avec des alimentations continues en carburant et en air.

Lorsque l'hydrogène entre en contact avec le catalyseur, il se divise en protons et en électrons. Les protons traversent facilement la membrane échangeuse de protons et se dirigent vers le côté cathodique, tandis que les électrons sont bloqués et contraints de passer par un circuit externe. En parcourant le circuit externe, ils fournissent l'électricité nécessaire à l'alimentation auxiliaire ou à l'entraînement d'un moteur. Finalement, les protons et les électrons de l'hydrogène se réunissent et se combinent avec l'oxygène pour produire de l'eau.

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