4. Distribution et utilisation du dihydrogène
Le jour où la voiture à hydrogène deviendra réalité, tout conducteur devra pouvoir disposer de l'hydrogène en tout lieu, en toute sécurité, d'une manière commode et à un prix abordable. Il faudra pour cela relever un défi à la fois technologique et économique. Nous nous intéresserons d'abord à la distribution de l'hydrogène du site de production vers la station service, puis nous cernerons les utilisations possibles de l'hydrogène.
4.1 Un mode de distribution différent pour des utilisations différentes
Produit en grande quantité dans une usine spécialisée par reformage de produits pétroliers, par électrolyse, par dissociation thermique, par transformation de la biomasse ou autre (voir II), l'hydrogène devrait être acheminé vers les stations service à l'image de ce qui se passe actuellement pour les produits pétroliers provenant des raffineries. Voyons quel type de transport est le mieux adapté en fonction de la quantité et de l'état chimique de l'hydrogène.
4.1.1 Les modes de transports privilégiés
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La distribution de faibles quantités d'hydrogène (1 à 50 m3 par h) se fait par camions depuis le lieu de production. L'hydrogène, conditionné à 200 bars et sous forme gazeuse, est comprimé dans des bouteilles qui sont acheminées par camion de 12t. Les bouteilles sont un moyen d'approvisionnement pratique et fiable et la pureté du gaz comprimé est de l'ordre de 99,99%. Leur volume varie selon les pays mais de nombreux scientifiques cherchent à les rendre le plus petit possible, tout en gardant le même volume. Sur le camion, les bouteilles sont regroupées par 9 ou par 18 (suivant la quantité à distribuer), et sont interconnectées, de sorte qu'elles se vident à la manière d'un unique récipient. Toutefois, ce mode de transport est peu efficace car beaucoup d'énergie est perdue lors du trajet, si bien qu'au bout de 500 km, l'énergie dépensée est la même que celle transportée!
Ici, bouteilles provenant d'Air Liquide
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Pour des quantités de plusieurs centaines de m3/h d'hydrogène, on peut le transporter sous forme liquide, à une température de -253°C, dans des cuves isothermes par semi-remorque. C'est sous cette forme que l'hydrogène est le plus économique à transporter, car les pertes énergétiques sont moindres par rapport au transport sous forme gazeuse. Ainsi, à l'heure actuelle, environ un millier de camions transportent l'hydrogène sous forme liquide à travers l'Europe et l'Amérique du nord, mais leur nombre va croissant.
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Enfin, pour de très grandes quantités (plusieurs dizaines de milliers de m3/h) et lorsqu'on a affaire à des clients importants ou suffisamment proches les uns des autres, le transport privilégié sera le réseau de pipelines. Deux principaux réseaux servant à transporter le gaz naturel sont déjà en place: on distingue celui d'Amérique centrale, long de plus de 400 km, et celui d'Europe du nord (voir carte ci-dessous), le plus grand au monde. L' adaptation de ces réseaux pour le transport de l'hydrogène est nécessaire, et leur extension paraît incontournable dans une perspective de distribution mondiale d'hydrogène.
Dans ces pipelines, la pression du gaz est constante à 100 bars et la quantité d'hydrogène qui circule dans les quelque 1 100 km de canalisations est de plus de 50 000 m3/h, même si l'on observe une perte non négligeable due aux fuites de gaz (phénomène de dispersion).
Pipelines Amérique centrale pipelines Europe du nord
4.1.2 Les stations service
A l'heure actuelle, on dénombre dans le monde plus de 200 stations opérationnelles et plusieurs dizaines en projet d'ouverture. La plupart de ces stations délivrent du gaz comprimé à 35MégaPa, et pour certaines 70MégaPa. Quelques unes délivrent de l'hydrogène liquide (en Allemagne) et, plus rarement, de l'hythane, mélange d'hydrogène et de méthane (en France, en Suède, aux USA et en Inde). L'hydrogène de ces stations peut provenir de deux sources différentes:
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Il peut être transporté depuis l'usine de production qui l'a extrait (par des techniques de stockage vues en II, et principalement par électrolyse de l'eau) vers la station. Le moyen de transport choisi dépend de la quantité d'hydrogène à distribuer; les bouteilles ne sont donc pas rentables pour deux raisons: d'abord, elles contiennent un volume de gaz trop faible pour les besoins d'une station service; de plus, les pertes énergétiques sont proportionnelles à la distance parcourue, ce qui ne profite pas aux stations éloignées du site de production. La livraison d'hydrogène liquide par camions semble donc la meilleure alternative, car elle limite les pertes énergétiques et concerne des quantités d'hydrogène importantes. Cependant, il existe des villes comme Francfort où l'hydrogène arrive en station grâce au réseau de pipelines à proximité. L'avantage est qu'il y en a une grande quantité, mais il est alors sous forme gazeuse et les dépenses énergétiques pour qu'il soit liquide sont conséquentes.
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Autre alternative, les stations service peuvent produire leur propre hydrogène, ce qui supprimerait les frais de transport. La solution idéale serait une installation, à même la station, qui procéderait à l'électrolyse de l'eau grâce à des éoliennes (comme c'est le cas à Athènes, Valence, Hambourg et Toronto), des panneaux photovoltaïque (présents à Collesolvetti en Italie) ou encore une station hydraulique (South Windsor aux USA et Yakashima au Japon). L'utopie de ces installations vient du fait que même la production d'hydrogène serait écologique!
4.2 Des utilisations variées
Le but du moteur à hydrogène est de remplacer à long terme l'essence car les réserves de pétroles ne sont pas infinies et le prix d'un baril a flambé ces derniers temps. Notre but est donc de s'intéresser à trois principaux moyens de transport: l'automobile, la marine (sous-marins inclus) et l'aéronautique (fusées inclues), et de voir si l'hydrogène peut y être utilisé à grande échelle.
4.2.1 Le secteur automobile (voir annexe 3: transports en commun)
La voiture à hydrogène est un véhicule électrique dont la propulsion est assurée par une pile à combustible : de l'hydrogène stocké dans le réservoir est mélangé à l'oxygène tiré de l'air ambiant, ce qui produit une réaction chimique. De l'eau et des électrons sont générés et captés par des électrodes pour fabriquer de l'électricité et alimenter le moteur. Ainsi, le rôle de la PAC est de fournir le courant électrique qui fait tourner le moteur.
Intérieur d'une voiture à hydrogène
Même si les voitures roulant à l'hydrogène sont la priorité de la plupart des constructeurs, du fait de la recrudescence du mouvement écologique et des problèmes dus à la pollution, certaines marques comme Mazda ou BMW préfèrent néanmoins adapter leur moteur à combustion interne de façon à ce qu'ils puissent utiliser soit l'hydrogène, soit l'essence. En effet, le problème du moteur à combustion interne utilisant l'hydrogène est son mauvais rendement. Afin d'obtenir une puissance suffisamment proche des voitures actuelles, le volume de la cylindrée du véhicule doit être augmenté. Cela contrebalance la faible densité énergétique de l'hydrogène. Ainsi, la voiture RX-8 RE développée par Mazda est passé d'une puissance de 210 ch à 110 ch.
Il y a une quinzaine d'années, les prototypes ne pouvaient pas rouler sur plusieurs kilomètres tant la fiabilité du moteur à hydrogène était mauvaise. Aujourd'hui, on ne rencontre plus ces problèmes. Les nouveaux modèles peuvent parcourir pas moins de 500 km avec un seul plein sans émettre la moindre pollution et dans un silence incroyable, les deux principales qualités de ces engins. Ainsi on peut logiquement s'attendre à voir des véhicules fonctionnant à l'hydrogène chez nos concessionnaires entre 2012 et 2015.
4.2.2 Applications aéronautiques (voir annexe 4: fusées)
Si le moteur-fusée à hydrogène est l'élément précurseur de l'ère de l'hydrogène, la pile à combustible proprement dite est utilisée dans l'aviation depuis peu. Le système récemment expérimenté par Boeing, en avril 2008, est hybride : une pile à combustible à membrane d'échange de protons, couplée à une batterie au lithium alimentent un moteur électrique faisant tourner une hélice conventionnelle. La pile à combustible est utilisée pour les phases de vol en vitesse de croisière, estimée à 100km/h. La batterie prendra le relais pour les phases ascensionnelles et de décollage, les plus gourmandes en énergie.
Premier avion Boeing fonctionnant avec un moteur hybride
Les chercheurs envisagent également l'application de piles à combustible pour remplacer certains générateurs électriques de bord et estiment que cette technologie devrait être suffisamment aboutie pour s'appliquer aux avions commerciaux sous peu. Mais les experts notent que les obstacles technologiques à résoudre sont encore nombreux avant de passer à une utilisation commerciale d'ici 2010-2015.
4.2.3 Application maritime (voir annexe 5: sous-marins)
Autant les voitures ont un problème de stockage d'hydrogène, autant ce problème ne se pose pas pour les bateaux. En effet, à bord des bateaux et même des péniches, disposer de volumes et de charges supplémentaires n'est pas trop problématique. Il est imaginable que ces bateaux soient équipés de réservoirs à hydrogène liquide, le seul état adapté à des stockages de grandes quantités. Cet hydrogène ferait alors fonctionner de puissants moteurs assurant la propulsion du bateau, et il pourrait même alimenter des piles à combustible qui fourniraient l'énergie nécessaire au bâtiment_suivant le même principe que pour les voitures et les avions.
La péniche, nommée ZES (Zero emission ship)
Ainsi, le premier bateau à hydrogène a fait son apparition à Hambourg en début septembre 2008. Cette péniche a transporté 100 passagers grâce à l'utilisation d'une pile à combustible associée à une batterie au plomb. L'autonomie de ce système, dont le réservoir stocke 50 kg d'hydrogène pressurisé à 350 bars, est de 3 jours.
Le remplacement du fuel lourd par un moteur alimenté par une PAC ne fait pas encore l'unanimité. En effet, le fuel lourd est très bon marché tandis que l'utilisation de l'hydrogène est très chère à cause de la faible distribution et du stockage de l'hydrogène, qui s'ajoutent à une modification de l'architecture du bateau et une prise de mesures de sécurité (aménagement de cuves isolées).
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