1.1 Visions

Jules Verne était très au fait des nouvelles technologies et des brevets, et aimait présenter leur utilisation. Verne était au courant de la technologie de la pile au combustible qui avait été brevetée en 1839 quand il écrivit l’Ile Mystérieuse dont est tirée la citation de l’encadré ci-dessous. La pile à combustible était considérée comme une curiosité par le grand public jusqu’au moment où elle fut utilisée dans l’espace dans les années 1960. C’est seulement maintenant, plus de 160 ans après son invention, que cette technologie est finalement utilisée sur terre.

” Je crois qu’un jour l’hydrogène et l’oxygène qui forment ensemble l’eau seront utilisés soit seuls soit ensemble comme une source inépuisable de chaleur et de lumière.
” L’Ile Mystérieuse “, Jules Verne, 1874

Les piles à combustible ont le potentiel pour révolutionner les secteurs de l’énergie et des transports. En combinaison avec les énergies renouvelables, un système pour l’énergie et les transports pourrait être développé avec un impact sur l’environnement bien moindre que le système actuel. Il existe cependant des forces puissantes qui s’opposent à un tel développement. Dans ce chapitre, nous présenterons quelques possibilités émergeant avec l’introduction de l’hydrogène comme vecteur énergétique pour les piles à combustible dans le secteur des transports et sur le marché de la production d’énergie.

1.1.1 Des fossiles aux renouvelables

Les stocks de pétrole sont répartis de façon plutôt inégale au niveau mondial. Plus de 70% des réserves pétrolières se situent dans les pays de l’OPEP. De nombreux pays pauvres utilisent la presque totalité de leurs revenus des exportations pour importer du pétrole, et de façon identique de nombreuses familles pauvres utilisent une grande part de leurs revenus pour les combustibles fossiles tels que le charbon, le coke et le kérosène pour la cuisine et l’éclairage. Cette situation conduit à la pollution de l’air et à des problèmes de santé.

Tout au long de la chaîne de production et de consommation, le pétrole comme source d’énergie a comme impact sur l’environnement la pollution. Le pétrole doit être extrait, raffiné, et transporté sur le site où il sera définitivement consommé. L’hydrogène, de son côté, peut être produit de différentes manières à partir de différents types de matières premières comme la biomasse par exemple ou à partir de l’eau et de l’énergie solaire et il peut être produit sur site, à la demande. De nombreuses méthodes de production sont aussi adaptées à une production à petite échelle. L’hydrogène pourrait donc contribuer à une plus grande indépendance et à une distribution plus juste des ressources.

Les conditions naturelles dans les pays en développement sont souvent très favorables pour l’utilisation de sources d’énergie ” plus propres ” comme le solaire ou l’éolien, alors que leurs systèmes de distribution d’énergie sont souvent peu développés – quand ils ne sont pas inexistants – comparés à ceux des pays industrialisés. Les technologies qui utilisent l’énergie solaire localement ont donc un bon potentiel pour créer l’infrastructure souhaitée. La dépendance vis-à-vis du pétrole pourrait ainsi être réduite. L’hydrogène contribuerait dans ce cas à rendre les énergies renouvelables plus faciles d’utilisation.

Un pays qui démarrerait directement en utilisant les énergies renouvelables et la technologie de l’hydrogène s’épargnerait les solutions partielles non nécessaires, polluantes et coûteuses dont les pays industrialisés doivent aujourd’hui se débarrasser. Les pays en développement qui manquent aujourd’hui de structures de télécommunication adéquates peuvent, comme l’ont démontré certains pays d’Afrique et d’Asie, mettre en œuvre directement un système de télécommunication sans fil et éviter ainsi l’utilisation des câbles traditionnels en cuivre. De la même façon, il est possible d’aller directement vers une infrastructure énergétique décentralisée et renouvelable fondée sur l’électricité et la production d’hydrogène à partir de ressources énergétiques locales (solaire, éolien, etc…).

 

Le coût des importations de pétrole est supérieur aux revenus totaux que l’Etat de l’île Vanuatu dans l’Océan Pacifique (auparavant les Nouvelles Hébrides) tire de ses exportations.
La population du Vanuatu est d’un peu moins de 200 000 habitants, et le gouvernement a récemment décidé que le pays tenterait de développer une économie hydrogène. Le but ultime est d’atteindre un arrêt total des importations de pétrole en 2010. Pour atteindre cet objectif, le pays souhaite développer des coopérations technologiques avec des pays développés.
Le Vanuatu souhaite produire de l’hydrogène à partir des énergies renouvelables et utiliser des voitures modernes, des navires, des bus et des groupes électrogènes modernes qui utilisent l’hydrogène ou l’électricité comme carburant.

 

1.1.2 En finir avec la dépendance vis-à-vis du pétrole

Un autre problème lié à la distribution inégale des réserves pétrolières est celui de la sécurité d’un approvisionnement régulier. Dans l’Union Européenne, la dépendance vis-à-vis du pétrole étranger pourrait augmenter jusqu’à 90% d’ici l’année 2020. La dépendance vis-à-vis du pétrole dans le secteur des transports en Europe est presque totale, et ce secteur représente 67% de la demande en pétrole. Des sources d’énergie alternatives sont donc nécessaires pour atteindre la sécurité d’approvisionnement en énergie.

De façon similaire, la distribution des réserves en gaz est aussi inégale. Les réserves de gaz de l’Union Européenne ne dureront que 20 ans si le rythme actuel de consommation se poursuit. De plus, passer du charbon et du pétrole au gaz ferait passer d’une dépendance à une autre. Comme l’hydrogène peut être produit à partir de différentes sources d’énergie, l’hydrogène, comme l’électricité, est un vecteur énergétique neutre qui permet au consommateur de choisir librement sa source d’énergie. Cela permet aussi d’exiger des producteurs qu’ils adhérent aux normes de protection de l’environnement. Les trois plus grands importateurs mondiaux de pétrole, les Etats-Unis, le Japon et l’Allemagne, sont aussi les trois pays leader dans la technologie de l’hydrogène.

1.1.3 Développement technologique

L’introduction sur le marché de la technologie de la pile à combustible est maintenant dans les starting blocks. Des entreprises comme International Fuell Cells et General Electric vendent déjà des piles à combustible pour fournir électricité et chauffage dans l’habitat, et au cours de l’année 2002, la société américaine Coleman démarrera la vente de groupes électrogènes alimentés par des piles à combustible. Comme ces groupes ne polluent pas, ils peuvent aussi être utilisés à l’intérieur. DCH Technologies a lancé la vente de petits chargeurs électriques en Islande et projette de les diffuser dans le reste de la Scandinavie.

Ballard, un développeur de piles à combustible, a ouvert sa première usine de piles à combustible en 2001. L’usine produit des sources d’énergie portables et des systèmes pour les voitures et les bus. La technologie est aussi immédiatement applicable aux téléphones mobiles, chaises roulantes, ordinateurs portables, caméras vidéo et tout autre matériel portable. Les piles à combustible ont aussi des avantages évidents par rapport aux batteries. Comparée à une batterie de même capacité, la pile à combustible est en général plus légère et plus durable. De plus, elle peut être rechargée plus rapidement.

Différents modèles de bus, de voitures et de motocyclettes alimentés par l’hydrogène sont attendus pour 2003-2004 et, si les conditions sont favorables, ces véhicules pourraient rapidement s’imposer sur certains secteurs de marché des moteurs à combustion interne. Au fur et à mesure que les véhicules polluants seront remplacés par des véhicules à hydrogène, la qualité de l’air dans les villes s’améliorera et le bruit émis pas le moteur à combustion interne disparaîtra. La qualité de vie, et la santé, des populations urbaines seront améliorées. Ainsi les applications liés au climat et à l’environnement entraîneront aussi une plus grande qualité de vie et de bien-être au niveau local.

De nos jours, la plupart des biens et marchandises sont transportés par route dans des camions. Même si l’hydrogène était introduit comme source alternative d’énergie de propulsion, ce transport de biens continuera à avoir un impact important sur notre environnement proche . Il est donc aussi nécessaire de diminuer le besoin global en matière de transports. Utiliser de façon plus importante les possibilités de transport maritime utilisant des navires à hydrogène pourrait être aussi avantageux. Une autre possibilité consisterait à construire des dirigeables sustentés avec de l’hélium et propulsés par des moteurs électriques alimentés pendant la journée par des cellules solaires, et durant la nuit par des piles à combustible. L’hydrogène requis pour la propulsion durant la nuit pourrait être produit en utilisant le surplus de production des panneaux solaires pendant la journée. De tels dirigeables ne demanderaient pas d’équipage et pourraient fonctionner à distance assurant ainsi un transport sûr et efficace des marchandises. En Allemagne, trois entreprises ont lancé ou vont lancer prochainement la construction de dirigeables qui utilisent une propulsion classique. L’une de ces entreprises est Zeppelin, celle-là même qui avait construit le malheureux dirigeable Hildenburg qui s’est écrasé à New York en 1937 (Plus de précision sur l’hydrogène et les dirigeables dans le Chapitre 5).

Les changements sur les marchés énergétiques seront probablement encore plus radicaux. Les développements des cent dernières années ont été caractérisés par la volonté de construire les unités les plus grandes possibles pour bénéficier des avantages d’une exploitation à grande échelle avec un meilleur rendement et des gains en terme de personnel et d’investissement. Ceci a conduit à l’expansion des lignes de transmission pour faciliter le transport de l’électricité, et le rejet de polluants dans l’environnement est devenu centralisé. Les coûts de développement du réseau de transmission entre les principaux producteurs et les consommateurs ont été payés par les consommateurs.

Un système utilisant les énergies renouvelables et l’hydrogène préviendrait toute pollution et contamination des centrales de production, et l’idée de construire de grandes unités deviendrait obsolète. Les piles à combustibles ont un bon rendement, même pour de petites unités, et il est très facile d’augmenter leur puissance. Une installation unique peut ainsi passer à une puissance supérieure en augmentant le nombre de piles à combustible.

Un autre avantage des piles à combustible est que leur rendement est presque constant à faible charge. Ceci est particulièrement important pour la production d’énergie. De plus, les piles à combustible n’exigent pas de surveillance constante. Elles peuvent être contrôlées par ordinateur et/ou contrôlées à distance. Des centrales à piles à combustible, silencieuses, peuvent être installées sans difficulté dans des zones habitées. Le surplus de chaleur de ces centrales peut être utilisé pour le chauffage de l’eau domestique, le chauffage des logements ainsi que dans l’industrie, augmentant encore leur rendement énergétique. L’installation de petites centrales dans des sites décentralisés proches des consommateurs limite le besoin d’augmenter la capacité de transport du réseau électrique existant. Ceci permet de grandes économies tout en stoppant l’impact sur l’environnement des lignes de transmission. Des distances plus courtes entre les consommateurs et le lieu de production réduira aussi les pertes de transmission. Les pertes électriques dans le réseau représentent une dépense considérable, particulièrement dans les réseaux surchargés et là où l’énergie est transportée sur de longues distances.

L’hydrogène et les piles à combustible satisfont à toutes les exigences des véhicules respectueux de l’environnement du point de vue des rejets.

De nombreuses résidences et entreprises installeront des piles à combustible pour la fourniture d’énergie et d’eau chaude. Les piles à combustible, associées à des éoliennes, à la chaleur géothermique et aux panneaux solaires, permettent d’obtenir l’autosuffisance en terme de chauffage, d’électricité et de transport.

Dans un tel scénario, il pourrait y avoir de nombreux fournisseurs d’énergie sur le marché, à la différence d’aujourd’hui où les fournisseurs sont peu nombreux, mais de taille importante.


1.2 Défis

1.2.1 Infrastructure

Le manque d’infrastructure est utilisé comme une objection majeure à l’utilisation de l’hydrogène. Les premières voitures à hydrogène seront sûrement vendues en tant que flotte de véhicules à des entreprises couvrant une zone géographique limitée, par exemple les taxis, les bus, les véhicules des collectivités locales et les voitures de coursiers. L’absence de ” station service hydrogène ” à chaque coin de rue ne présenterait donc pas de difficulté pour ce type de véhicules. L’introduction de l’hydrogène comme carburant sur une plus grande échelle et pour une utilisation dans des voitures particulières exigerait cependant l’existence d’une infrastructure. Le Chapitre 3 envisage comment cela peut être réalisé en Norvège.

Le fabricant allemand d’automobiles BMW a équipé sa première voiture à hydrogène de réservoirs d’hydrogène et d’essence de façon à ce que le moteur passe automatiquement de l’hydrogène à l’essence quand le réservoir d’hydrogène se vide. C’est techniquement possible car ces voitures utilisent des moteurs à combustion classiques. Néanmoins, BMW fait l’hypothèse qu’il existera un nombre suffisant de stations hydrogène en Allemagne dans les prochaines années.

1.2.2 Coûts

Le coût élevé des équipements utilisant l’hydrogène et des piles à combustible a été une barrière pour le développement de l’utilisation de la technologie hydrogène. L’un des éléments les plus coûteux dans la production des piles à combustible est le platine (utilisé comme catalyseur). Aujourd’hui, moins d’un gramme de platine est nécessaire par kW (au prix de 15 Euros/gramme au 30 Octobre 2001). Le partenariat pour une Nouvelle Génération de Véhicules (PNGV), une association entre le gouvernement américain et des constructeurs automobiles, a pour objectif 0,2 gramme de platine par kW d’ici 2004. PNGV travaille de plus sur différentes réductions de coût des composants indispensables d’une pile à combustible. Ford et Toyota sont bien connues pour leur longue expérience dans le domaine de l’introduction de nouvelles technologies, et toutes deux sont engagées sérieusement dans le développement de la technologie hydrogène.

Une étude réalisée par Ford montre que le prix des piles à combustible pourrait baisser et rejoindre celui des moteurs à combustion interne [Ford 1999]. En effet, un des principaux défis aujourd’hui pour les piles à combustibles et les autres technologies de l’hydrogène est de passer du stade de prototype à celui de la production en grande série.

Sur la période de 1896 à 1928, huit tentatives ont été faites de voler de Spitzbergen vers le Pôle Nord en ballon ou dirigeable. Amundsen et Nobile atteignirent le Pôle Nord en 1926 avec le dirigeable Italia. Virgohamma à Spitzbergen était la base lors de la tentative d’Andrée d’atteindre le Pôle Nord avec le ballon à hydrogène Örnen en 1896-1897 et des trois tentatives de Wellman entre 1906 et 1909 avec le dirigeable America. Tous deux ont construit des unités de production chimique d’hydrogène à partir d’acier et d’acide sulfurique.

1.2.3 Stockage

L’hydrogène contient une grande quantité d’énergie par unité de masse alors que son contenu en énergie par unité de volume est plutôt faible. Cela pose un problème potentiel pour le stockage de grandes quantités d’hydrogène dans un espace réduit. Le stockage de l’hydrogène est un sujet de recherche et développement important. Les moyens classiques de stockage comme les réservoirs sous pression et les réservoirs cryogéniques ont été fortement améliorés, et différentes technologies de stockage sont en cours de développement. Ainsi, pour certaines applications la technologie est déjà suffisamment au point. Les technologies de stockage seront évoquées au Chapitre 2.

1.2.4 Normes et contexte juridique

L’introduction rapide de normes internationales dans tous les pays est importante pour éviter les surcoûts inutiles comme la reconception liée à l’incompatibilité entre les exigences de sécurité et de normalisation. La normalisation simplifierait aussi le commerce international de la technologie hydrogène. Dans ce cadre, l’Organisation Internationale de Normalisation (ISO) a mis en place un comité technique pour la technologie hydrogène, le ” ISO/TC 197 – Technologie hydrogène “.

En Mars 1999 la première norme sur l’hydrogène a été publiée :

  • ISO 13984 ” Hydrogène Liquide – Interface pour le système de remplissage des véhicules terrestres “.

De plus, les sept normes ci-dessous sont actuellement en cours de développement :

  • ISO 13985 ” Hydrogène liquide – Réservoirs de carburant pour véhicules terrestres “
  • ISO 13896 ” Conteneurs-citernes pour le transport multimodal de l’hydrogène liquide “
  • ISO 15594 ” Installation aéroportuaire d’avitaillement en hydrogène “
  • ISO 15866 ” Carburant d’hydrogène gazeux et de mélanges d’hydrogène gazeux – Stations-service “
  • ISO 15869 ” Hydrogène gazeux et mélanges d’hydrogène gazeux – Réservoirs de carburant pour véhicules terrestres “
  • ISO 15916 ” Considérations fondamentales pour la sécurité des systèmes à l’hydrogène “
  • ISO 17268 ” Carburant d’hydrogène gazeux et de mélanges d’hydrogène gazeux – Raccords de remplissage “

[Bose, Gingras 2000].

Un autre effort de coopération est celui du Projet Européen Intégré sur l’Hydrogène (EIHP) pour le développement de normes pour les véhicules à hydrogène de façon à coordonner le développement de la technologie en Europe. EIHP est une coopération entre des fabricants automobiles européens et les organismes publics.

1.2.5 Sécurité/manque de connaissance

Aujourd’hui il n’existe aucune barrière du point de vue de la technique et/ou de la sécurité qui empêcherait l’utilisation de l’hydrogène comme carburant dans le secteur des transports, ou comme moyen de stockage et de transport de l’énergie. Il est possible de produire et d’utiliser l’hydrogène au même niveau de sécurité que les systèmes à essence actuels.

Des études conduites en Allemagne, en Norvège et au Canada sur la perception de l’hydrogène par le grand public montrent que la plupart des gens associent l’hydrogène à la protection de l’environnement. D’autres études réalisées lors de test de bus à hydrogène comme option pour les transports publics indiquent qu’une écrasante majorité des gens a une attitude positive vis-à-vis de l’idée de l’hydrogène comme type de carburant. Néanmoins, la plupart n’ont pas ou peu de connaissance sur l’hydrogène ou la technologie de la pile à combustible, ce qui rend nécessaire des campagnes d’information.

Lors du test du bus à hydrogène ” Nebus ” à Oslo, un questionnaire a été réalisé révélant que la majorité de ceux qui avait une connaissance de l’hydrogène l’avait appris à l’école. Le système scolaire devra donc faire l’objet d’une attention prioritaire pour la dissémination de l’information. Parmi les différents groupes sociaux, ce sont les jeunes qui sont le moins effrayés pour tester de nouveaux objets, comme on le voit clairement lors du développement de technologies comme le téléphone portable ou l’Internet.

Il est aussi important de former des spécialistes dans le domaine de l’hydrogène et de la pile à combustible. Le manque de personnel qualifié aujourd’hui est un facteur limitant pour de nouveaux développements. Les voitures à pile à combustible seront équipées de moteurs électriques et donc l’expertise mise en œuvre pour les voitures électriques pourra être facilement transférée. Les ateliers et garages doivent être ventilés et certifiés pour l’hydrogène. La nouveauté de ce nouveau type de carburant ne constituera pas non plus un obstacle pour les stations de remplissage : le remplissage en gaz hydrogène met en œuvre les mêmes technologies que celui du gaz naturel, et il existe déjà de telles stations service en fonctionnement dans différents endroits.

1.2.6 Méthanol et gaz naturel

Dans certaines sphères, le méthanol et le gaz naturel ont été présentés comme des relais vers l’hydrogène. Cependant, le méthanol et le gaz naturel contiennent  tous deux du carbone et, pour une utilisation par exemple dans des piles à combustible, le CO2 produit est difficile à séparer. Un accroissement des infrastructures de méthanol ou de gaz naturel n’a aucun sens dans un objectif de réduction des gaz à effet de serre. De plus, le méthanol et le gaz naturel pourraient constituer de sérieux obstacles à l’introduction de l’hydrogène comme carburant.

Une pile à combustible alimentée en méthanol réduirait au mieux les rejets de CO2 de 30 à 40% par rapport à une automobile conventionnelle à essence. Les voitures hybrides déjà disponibles sur le marché et les moteurs à combustion à compression variable (pas encore en production) sont supposés comparables aux voitures à pile à combustible et méthanol du point de vue de la réduction des rejets en C02. [Automobile World, Mars 2000]

Les compagnies pétrolières peuvent défendre la production et les infrastructures pour le méthanol comme un moyen de conserver leur domination sur le marché ou comme nouveau marché, mais cela n’a rien à voir avec la protection de l’environnement.

La situation serait encore pire pour les bus à gaz naturel. Comparés à un bus diesel classique, un bus à gaz naturel produit plus de gaz à effet de serre. Ceci est du en partie au rejet de méthane imbrûlé au niveau de l’échappement. Alors que les bus à gaz naturel représentent sûrement une avancée positive en terme de rejets de particules dans l’environnement, l’amélioration du point de vue global est nul.

Voir le chapitre 3 pour plus d’information sur le méthanol et les autres hydrocarbures.