Pedeorelha | Comment fonctionne l'économie de l'hydrogène

Vova Krasen
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Tuyaux de vapeur à la centrale géothermique de Wairakei.

Il semble que chaque jour il y ait une nouvelle annonce dans les nouvelles concernant les automobiles alimentées par des piles à combustible. Les promesses sont alléchantes, car les piles à combustible ont le potentiel de doubler très rapidement l'efficacité des voitures tout en réduisant considérablement la pollution atmosphérique..

Dans le même temps, il y a eu des reportages pendant des décennies sur les problèmes liés au pétrole. Tout, des déversements d'hydrocarbures aux alertes à l'ozone en passant par le réchauffement de la planète, est imputé à notre dépendance aux combustibles fossiles.

Ces deux forces mènent le monde vers ce que l'on appelle généralement économie de l'hydrogène. Si les prévisions sont vraies, au cours des prochaines décennies, nous commencerons tous à voir un changement étonnant de l'économie des combustibles fossiles que nous avons aujourd'hui vers un avenir à l'hydrogène beaucoup plus propre..

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La société peut-elle réellement opérer ce changement, ou les barrières technologiques, économiques et politiques nous garderont-elles liées au pétrole et aux autres combustibles fossiles pour le prochain siècle et au-delà? Dans cet article, vous découvrirez les avantages d'une économie de l'hydrogène, ainsi que ses problèmes potentiels. Nous examinerons également certaines des technologies qui rendraient la transition possible.

Actuellement, les États-Unis et la majeure partie du monde sont enfermés dans ce que l'on pourrait appeler économie de combustibles fossiles. Nos automobiles, trains et avions sont alimentés presque exclusivement par des produits pétroliers comme l'essence et le diesel. Un pourcentage énorme de nos centrales électriques utilise du pétrole, du gaz naturel et du charbon comme combustible.

Si le flux de combustibles fossiles vers les États-Unis était interrompu, l’économie s’arrêterait. Il n'y aurait aucun moyen de transporter les produits fabriqués par les usines. Il n'y aurait aucun moyen pour les gens de se rendre au travail en voiture. Toute l'économie, et en fait l'ensemble de la société occidentale, dépend actuellement des énergies fossiles.

Alors que les combustibles fossiles ont joué un rôle important pour amener la société au point où elle en est aujourd'hui, les combustibles fossiles posent quatre grands problèmes:

La pollution de l'air - Lorsque les voitures brûlent de l'essence, elles la brûleraient idéalement et ne créeraient rien d'autre que du dioxyde de carbone et de l'eau dans leurs gaz d'échappement. Malheureusement, le moteur à combustion interne n'est pas parfait. Lors de la combustion de l'essence, il produit également:

Monoxyde de carbone, un gaz toxique
Les oxydes d'azote, principale source de smog urbain
Les hydrocarbures non brûlés, principale source d'ozone urbain

Les convertisseurs catalytiques éliminent une grande partie de cette pollution, mais ils ne sont pas parfaits. La pollution atmosphérique due aux voitures et aux centrales électriques est un réel problème dans les grandes villes.

C'est déjà déjà assez grave qu'en été, de nombreuses villes ont des niveaux dangereux d'ozone dans l'air.

Pollution environnementale - Le processus de transport et de stockage du pétrole a un impact important sur l'environnement chaque fois que quelque chose ne va pas.

Des supertankers chargés de pétrole en Arabie saoudite

Un déversement de pétrole, une explosion de pipeline ou un incendie de puits peut créer un énorme désordre. Le déversement d'Exxon Valdez est l'exemple le plus connu du problème, mais des déversements mineurs se produisent constamment.

Réchauffement climatique - Lorsque vous brûlez un gallon d'essence dans votre voiture, vous émettez environ 5 livres (2,3 kg) de carbone dans l'atmosphère. S'il s'agissait de carbone solide, ce serait extrêmement perceptible - ce serait comme jeter un sac de 5 livres de sucre par la fenêtre de votre voiture pour chaque gallon d'essence brûlé. Mais parce que les 5 livres de carbone sortent comme un gaz invisible, le dioxyde de carbone, la plupart d'entre nous en sont inconscients. Le dioxyde de carbone qui sort du tuyau d'échappement de chaque voiture est un gaz à effet de serre qui augmente lentement la température de la planète. Les effets ultimes sont inconnus, mais il est fort possible que, à terme, des changements climatiques dramatiques affectent tout le monde sur la planète. Par exemple, si les calottes glaciaires fondent, le niveau de la mer augmentera considérablement, inondant et détruisant toutes les villes côtières existantes aujourd'hui. C'est un gros effet secondaire.

Dépendance - Les États-Unis, et la plupart des autres pays, ne peuvent pas produire suffisamment de pétrole pour répondre à la demande, ils l’importent donc de pays riches en pétrole. Cela crée une dépendance économique. Lorsque les producteurs de pétrole du Moyen-Orient décident d'augmenter le prix du pétrole, le reste du monde n'a d'autre choix que de payer le prix le plus élevé.

Dans la section précédente, nous avons vu les problèmes mondiaux importants créés par les combustibles fossiles. L'économie de l'hydrogène promet d'éliminer tous les problèmes que crée l'économie des combustibles fossiles. Par conséquent, les avantages de l'économie de l'hydrogène comprennent:

L'élimination de la pollution causée par les combustibles fossiles - Lorsque l'hydrogène est utilisé dans une pile à combustible pour créer de l'énergie, il s'agit d'une technologie totalement propre. Le seul sous-produit est l'eau. Il n'y a pas non plus de dangers environnementaux comme les déversements d'hydrocarbures à craindre avec l'hydrogène.
L'élimination des gaz à effet de serre - Si l'hydrogène provient de l'électrolyse de l'eau, alors l'hydrogène n'ajoute aucun gaz à effet de serre à l'environnement. Il y a un cycle parfait - l'électrolyse produit de l'hydrogène à partir de l'eau et l'hydrogène se recombine avec l'oxygène pour créer de l'eau et de l'énergie dans une pile à combustible.
L'élimination de la dépendance économique - L'élimination du pétrole ne signifie aucune dépendance vis-à-vis du Moyen-Orient et de ses réserves de pétrole.
Production distribuée - L'hydrogène peut être produit partout où vous avez de l'électricité et de l'eau. Les gens peuvent même le produire chez eux avec une technologie relativement simple.

Les problèmes liés à l'économie des combustibles fossiles sont si grands et les avantages environnementaux de l'économie de l'hydrogène si importants que la poussée vers l'économie de l'hydrogène est très forte..

Le saviez-vous?
Les capteurs qui détectent les fuites potentielles dans un moteur à combustion interne à hydrogène ont été développés par la NASA pour détecter les fuites d'hydrogène lors des lancements de navette spatiale. Découvrez d'autres innovations de la NASA dans cette animation interactive de Chaîne de découverte.

La grande question de l'économie de l'hydrogène est: "D'où vient l'hydrogène?" Vient ensuite la question du transport, de la distribution et du stockage de l'hydrogène. L'hydrogène a tendance à être volumineux et délicat sous sa forme gazeuse naturelle.

Une fois que ces deux questions auront reçu une réponse économique, l'économie de l'hydrogène sera en place.

Nous examinerons chacune de ces questions séparément dans les sections suivantes.

-L'un des problèmes les plus intéressants de l'économie de l'hydrogène est l'hydrogène lui-même. D'où viendra-t-il? Avec l'économie de carburant fossile, il vous suffit de pomper le carburant fossile hors du sol (voir Comment fonctionne le forage pétrolier) et de le raffiner (voir -Comment fonctionne le raffinage du pétrole). Ensuite, vous le brûlez comme source d'énergie.

La plupart d'entre nous prennent le pétrole, l'essence, le charbon et le gaz naturel pour acquis, mais ils sont en fait assez miraculeux. Ces combustibles fossiles représentent énergie solaire stockée il y a des millions d'années. Il y a des millions d'années, les plantes se développaient en utilisant l'énergie solaire pour alimenter leur croissance. Ils sont morts et se sont finalement transformés en pétrole, charbon et gaz naturel. Lorsque nous pompons du pétrole depuis le sol, nous puisons dans cet immense entrepôt d'énergie solaire «gratuitement». Chaque fois que nous brûlons un gallon d'essence, nous libérons cette énergie solaire stockée.

Dans l'économie de l'hydrogène, il n'y a pas d'entrepôt où puiser. Nous devons réellement créer l'e-nergy en temps réel.

Il existe deux sources possibles pour l'hydrogène:

Electrolyse de l'eau - En utilisant l'électricité, il est facile de séparer les molécules d'eau pour créer de l'hydrogène et de l'oxygène purs. Un gros avantage de ce processus est que vous pouvez le faire n'importe où. Par exemple, vous pourriez avoir une boîte dans votre garage produisant de l'hydrogène à partir de l'eau du robinet, et vous pourriez alimenter votre voiture avec cet hydrogène..
Réformer les énergies fossiles - Le pétrole et le gaz naturel contiennent des hydrocarbures - des molécules constituées d'hydrogène et de carbone. À l'aide d'un appareil appelé processeur de carburant ou réformateur, vous pouvez séparer l'hydrogène du carbone dans un hydrocarbure relativement facilement et ensuite utiliser l'hydrogène. Vous jetez le carbone restant dans l'atmosphère sous forme de dioxyde de carbone.

-La deuxième option est, bien sûr, légèrement perverse. Vous utilisez des combustibles fossiles comme source d'hydrogène pour l'économie de l'hydrogène. Cette approche réduit la pollution de l'air, mais elle ne résout ni le problème des gaz à effet de serre (car il y a encore du carbone dans l'atmosphère) ni le problème de la dépendance (il faut encore du pétrole). Cependant, cela peut être une bonne étape temporaire à franchir pendant la transition vers l'économie de l'hydrogène. Lorsque vous entendez parler de «véhicules à pile à combustible» actuellement développés par les constructeurs automobiles, presque tous prévoient d'obtenir l'hydrogène des piles à combustible à partir de l'essence à l'aide d'un reformeur. La raison en est que l'essence est une source d'hydrogène facilement disponible. Jusqu'à ce qu'il y ait des «stations à hydrogène» à chaque coin de rue comme nous en avons actuellement, c'est le moyen le plus simple d'obtenir de l'hydrogène pour alimenter la pile à combustible d'un véhicule.

Ce qui est intéressant à propos de la première option, c'est qu'elle est au cœur de la véritable économie de l'hydrogène. Avoir un économie d'hydrogène pur, l'hydrogène doit être dérivé de de sources renouvelables plutôt que des combustibles fossiles afin que nous arrêtions de libérer du carbone dans l'atmosphère. Avoir suffisamment d'électricité pour séparer l'hydrogène de l'eau et produire cette électricité sans utiliser de combustibles fossiles sera le changement le plus important que nous constatons dans la création de l'économie de l'hydrogène..

La centrale électrique de Bayswater (Nouvelle-Galles du Sud, Australie) produit de l'électricité en utilisant de la vapeur sous pression pour faire fonctionner des turbogénérateurs.

D'où proviendra l'électricité pour l'électrolyse de l'eau? À l'heure actuelle, environ 68% (référence) de l'électricité produite aux États-Unis provient du charbon ou du gaz naturel. Toute cette capacité de production devra être remplacée par des sources renouvelables dans l'économie de l'hydrogène. En outre, toute l'énergie fossile désormais utilisée pour le transport (dans les voitures, les camions, les trains, les bateaux, les avions) devra être convertie en hydrogène, et cet hydrogène sera également créé avec l'électricité. En d'autres termes, la capacité de production électrique du pays devra doubler pour faire face aux demandes de transport, puis tout devra passer des combustibles fossiles aux sources renouvelables. À ce stade, et seulement à ce point, le flux de carbone dans l'atmosphère s'arrêtera.

À l'heure actuelle, il existe plusieurs façons de créer de l'électricité sans utiliser de combustibles fossiles:

Pouvoir nucléaire
Barrages hydroélectriques
Cellules solaires
Éoliennes
Énergie géothermique
Énergie houlomotrice et marémotrice
Cogénération (par exemple, une scierie peut brûler de l'écorce pour créer de l'énergie, ou une décharge peut brûler le méthane produit par les déchets en décomposition.)

Dans le sens des aiguilles d'une montre à partir du haut à droite: centrale solaire électrique; centrale nucléaire; barrage hydroélectrique; éolienne

Aux États-Unis, environ 20% de l'énergie provient actuellement du nucléaire et 7% de l'hydroélectricité. Les sources solaires, éoliennes, géothermiques et autres ne génèrent que 5% de l'énergie - à peine assez pour avoir de l'importance.

À l'avenir, à moins d'une percée technologique, il semble probable que l'une des deux choses se produira pour créer l'économie de l'hydrogène: la capacité de production d'énergie nucléaire ou solaire augmentera considérablement. Rappelez-vous que, dans une économie d'hydrogène pur, la capacité de production d'électricité devra environ doubler car toute l'énergie de transport qui provient actuellement du pétrole devra être remplacée par de l'hydrogène généré électriquement. Ainsi, le nombre de centrales électriques doublera et toutes les centrales à combustibles fossiles seront remplacées.

Le problème de la production d'électricité est probablement le plus grand obstacle à l'économie de l'hydrogène. Une fois la technologie affinée et devenue peu coûteuse, les véhicules à pile à combustible fonctionnant à l'hydrogène pourraient remplacer les moteurs à combustion interne à essence au cours d'une décennie ou deux. Mais remplacer les centrales électriques par le nucléaire et le solaire n'est peut-être pas si facile. L'énergie nucléaire a des problèmes politiques et environnementaux, et l'énergie solaire a actuellement des problèmes de coût et de localisation.

Ouvert pour les affaires
Des stations de remplissage d'hydrogène sont déjà ouvertes dans plusieurs pays dont les États-Unis, l'Islande, le Japon et l'Allemagne. Consultez FuelCells.org - Stations de ravitaillement en hydrogène dans le monde pour trouver une station d'hydrogène près de chez vous.

-En ce moment, le problème de la mise en circulation de véhicules à hydrogène pur est le problème du stockage / transport. L'hydrogène est un gaz volumineux, et il n'est pas aussi facile de travailler avec que l'essence. La compression du gaz nécessite de l'énergie, et l'hydrogène comprimé contient beaucoup moins d'énergie que le même volume d'essence. Cependant, des solutions au problème du stockage de l'hydrogène font surface.

Par exemple, l'hydrogène peut être stocké sous forme solide dans un produit chimique appelé borohydrure de sodium, et cette technologie est apparue dans l'actualité récemment parce que Chrysler la teste. Ce produit chimique est créé à partir de borax (un ingrédient commun dans certains détergents). Au fur et à mesure que le borohydrure de sodium libère son hydrogène, il se transforme en borax et peut donc être recyclé.

Une fois le problème de stockage résolu et standardisé, un réseau de stations hydrogène et les infrastructures de transport devront se développer autour de lui. Le principal obstacle à cela pourrait être le processus de tri technologique. Les stations ne se développeront pas rapidement tant qu'il n'y aura pas de technologie de stockage qui domine clairement le marché. Par exemple, si toutes les voitures à hydrogène de tous les constructeurs utilisaient du borohydrure de sodium, alors un réseau de gares pourrait se développer rapidement; ce genre de standardisation est peu susceptible de se produire rapidement, si l'histoire est un guide.

Il pourrait également y avoir une percée technologique qui pourrait changer rapidement les règles du jeu. Par exemple, si quelqu'un pouvait développer une batterie rechargeable peu coûteuse avec une grande capacité et un temps de recharge rapide, les voitures électriques n'auraient pas besoin de piles à combustible et il n'y aurait pas besoin d'hydrogène sur la route. Les voitures se rechargeraient directement à l'électricité.

- Vous entendrez de plus en plus parler de l'économie de l'hydrogène dans les actualités dans les prochains mois, car le battement de tambour est de plus en plus fort. Les problèmes environnementaux de l'économie des combustibles fossiles se combinent avec des percées dans la technologie des piles à combustible, et le jumelage nous permettra de faire les premiers pas.

L'étape la plus évidente que nous verrons est la commercialisation de véhicules à pile à combustible. Bien qu'elles soient initialement alimentées par de l'essence et des reformeurs, les piles à combustible comportent deux améliorations majeures par rapport au moteur à combustion interne:

Ils sont environ deux fois plus efficaces.
Ils peuvent réduire considérablement la pollution de l'air dans les villes.

Les véhicules à pile à combustible à essence constituent une excellente étape de transition en raison de ces avantages.

Passer à un économie d'hydrogène pur sera plus difficile. Les centrales électriques devront passer aux sources d'énergie renouvelables et le marché devra s'entendre sur les moyens de stocker et de transporter l'hydrogène. Ces obstacles feront probablement de la transition vers l'économie de l'hydrogène un processus assez long.

Pour en savoir plus sur l'économie de l'hydrogène et les technologies qui l'entourent, consultez les liens sur la page suivante.