Hydrogène vert

ÉNERGIE VERTE ET PROPRE UN NOUVEAU PROCÉDÉ POUR PRODUIRE DE L’HYDROGÈNE VERT

La consommation d’hydrogène vert progresse pour répondre aux besoins énergétiques des transports, de l’industrie et des immeubles résidentiels et commerciaux. Partout dans le monde, différents pays mènent des actions énergiques pour encourager la production et l’utilisation d’hydrogène vert. Selon certaines prévisions, deux moyens techniques reposant sur le nickel, à savoir les électrolyseurs servant à produire de l’hydrogène et les piles à combustible utilisant celui-ci pour alimenter les véhicules, devraient voir leur marché progresser de deux ordres de grandeur au cours des dix prochaines années.

Le moteur du changement

Pour satisfaire les objectifs de décarbonation fixés par l’Accord de Paris et l’aspiration des différents pays à la neutralité carbone, il faut remplacer les combustibles fossiles par des solutions neutres en carbone.

L’hydrogène pourrait bien être le combustible de remplacement par excellence. La combustion de ce gaz produit de l’énergie sans dégager de CO2 et en émettant seulement de la vapeur d’eau. Par conséquent, son adoption réduirait considérablement les émissions de gaz à effet de serre.

Le rôle de l’électrolyse

Le moyen le plus efficace de produire de l’hydrogène est l’électrolyse de l’eau, qui consiste à décomposer les molécules d’eau au moyen d’un champ électrique faisant migrer l’hydrogène vers la cathode (−) et l’oxygène vers l’anode (+) et à recueillir chacun des deux gaz à la borne correspondante. Quand l’hydrogène est produit par une électrolyse alimentée par des sources d’énergie renouvelables, celle-ci ne produit pas non plus de CO2. Cet hydrogène est appelé « hydrogène vert ». Les électrolyseurs alcalins sont les plus courants en production industrielle, car

ils ont fait leurs preuves et offrent un bon rendement. Leur cellule électrolytique est constituée de deux électrodes immergées dans un électrolyte liquide, à savoir une solution aqueuse d’hydroxyde de potassium à 30 %, et le rendement du procédé repose sur une réaction catalytique intermédiaire à chacune des deux électrodes.

C’est là que le nickel intervient de manière déterminante. Sa présence à la surface de l’électrode sert à optimiser le coût, la durabilité et l’efficacité du procédé. Un électrolyseur alcalin intègre environ 2 kg de nickel pur par kilowatt de puissance convertie.

Le futur des piles à combustible

Les piles à combustible sont des générateurs d’énergie électrochimique (qui convertissent de l’énergie chimique en énergie électrique). Et lorsque le combustible utilisé est de l’hydrogène, ils émettent seulement de la vapeur d’eau. L’avènement futur de la neutralité carbone passe par la banalisation des véhicules électriques de tous types et de toutes tailles. La plupart des voitures particulières utiliseront des batteries lithium-ion, mais les véhicules lourds tels que camions, autobus et bateaux utiliseront probablement des piles à combustible.

Les types de piles à combustible

Comme les électrolyseurs, les piles à combustible comprennent deux électrodes séparées par un électrolyte. Les différents types de piles à combustible se distinguent par le type d’électrolyte utilisé.

Les piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC) sont de loin les plus courantes dans les véhicules tels que voitures, camions, autobus et chariots élévateurs en raison de leurs dimensions modulables, de leur puissance massique avantageuse et de leur rapidité de démarrage. Les piles à combustible de ce type intègrent une membrane électrolyte polymère solide qui fait réagir l’hydrogène stocké avec l’oxygène de l’air pour produire de l’énergie électrique en offrant des densités de puissance supérieures à celles des autres piles à combustible, et ce à des pressions et températures relativement basses.

Chaque cellule est enserrée entre deux plaques bipolaires, la première distribuant l’hydrogène à l’anode et la seconde distribuant l’oxygène à la cathode et évacuant l’eau des électrodes vers le tuyau d’échappement. En général, les piles à combustible à membrane échangeuse de protons utilisent assez peu de nickel, car elles fonctionnent à basse température (environ 80 °C), mais la quantité totale de nickel nécessaire à leur mise en service à grande échelle pourrait s’avérer considérable. Les piles à combustible à oxyde céramique (SOFC) sont aussi d’usage courant, surtout comme sources d’alimentation primaire pour les centrales électriques, les microréseaux et les grands utilisateurs. Elles utilisent une membrane électrolyte en oxyde céramique conductrice d’ions et, comme elles fonctionnent à des températures situées entre 600 °C et 800 °C, leur structure intègre de grandes quantités d’acier inoxydable au nickel servant de support. Les piles à combustible à carbonate fondu (MCFC) fonctionnent à haute température comme celles à oxyde céramique, mais leur électrolyte est constitué de carbonate fondu imprégné dans une matrice céramique. Bien que d’emploi moins courant, leur fonctionnement a la particularité de séquestrer le dioxyde de carbone, ce qui les rend très intéressantes pour réduire la quantité de gaz à effet de serre dans les effluents gazeux. Ces piles à combustible intègrent des quantités importantes de nickel, de l’ordre de 5 kg par kilowatt de puissance électrique produite. Les changements climatiques et la dégradation de l’environnement qui s’ensuit constituent une véritable menace pour le monde entier. Mais les nombreux procédés novateurs utilisant l’hydrogène comme combustible s’annoncent très prometteurs pour reverdir l’avenir. Les piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC) sont de loin les plus courantes dans les véhicules tels que voitures, camions, autobus et chariots élévateurs en raison de leurs dimensions modulables, de leur puissance massique avantageuse et de leur rapidité de démarrage.