Dihydrogene

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Dihydrogene

DihydrogĂšne

DihydrogĂšne
DihydrogĂšne
Général
Nom IUPAC dihydrogĂšne
Synonymes hydrogĂšne
No CAS 1333-74-0
No EINECS 215-605-7
PubChem 783
No E E949
SMILES
InChI
Apparence sans odeur, incolore, gaz comprimé[1].
Propriétés chimiques
Formule brute H2  [IsomĂšres]
Masse molaire 2,01588 g∙mol-1
H 100 %,
Propriétés physiques
T° Ă©bullition -253 Â°C[1]
Solubilité 0.019
Masse volumique 0.08988 kg/m (273 K)
T° d’auto-inflammation 500 Ă  571 Â°C[1]
Point d’éclair gaz inflammable[1]
Limites d’explosivitĂ© dans l’air en volume % dans l'air : 4-76[1]
Point critique -239,96 Â°C / 1315 kPa abs
Point triple -259,2 Â°C / 7,205 kPa abs
Thermochimie
S0gaz, 1 bar 130.68 J/mol K
Cp 14 266 J/kg K (293 K)
Précautions
Directive 67/548/EEC
ExtrĂȘmement inflammable
F+
Phrases R : 12,
Phrases S : 2, 9, 16, 33, [2]
Transport
23
   1049   

223
   1966   
NFPA 704
gaz :

Symbole NFPA 704

 

rĂ©frigĂ©rĂ© liquide :[3]

Symbole NFPA 704

 
SIMDUT[4]
A : Gaz comprimĂ©B1 : Gaz inflammable
A, B1,
SGH[5]
SGH02 : InflammableSGH04 : Gaz
Danger
H220,
Inhalation suffocation
Unités du SI & CNTP, sauf indication contraire.

Le dihydrogĂšne est la forme molĂ©culaire de l'Ă©lĂ©ment hydrogĂšne, qui existe Ă  l'Ă©tat gazeux aux conditions normales de pression et de tempĂ©rature. Les molĂ©cules comportent deux atomes d'hydrogĂšne, sa formule chimique est H2. Il est prĂ©sent sous forme de traces (0,5 ppmv) dans l'air. Il est Ă©galement appelĂ© « molĂ©cule d'hydrogĂšne Â» ou « gaz hydrogĂšne Â» et, dans le langage courant, lorsqu'il n'y a pas d'ambiguĂŻtĂ© avec l'Ă©lĂ©ment chimique du mĂȘme nom, il est trĂšs frĂ©quemment dĂ©signĂ© par « hydrogĂšne Â».

C'est un gaz lĂ©ger que la gravitĂ© terrestre ne peut d'ailleurs retenir. Il fut employĂ© dans les ballons dirigeables de type Zeppelin, utilisant les propriĂ©tĂ©s de la poussĂ©e d'ArchimĂšde, avant d'ĂȘtre remplacĂ© par l'hĂ©lium moins dangereux car non combustible. Il brĂ»le dans l'air en produisant de l'eau, d'oĂč son nom (du grec hydro : « eau Â» et gĂšne : « qui gĂ©nĂšre Â»).

Le dihydrogÚne possÚde une température de vaporisation de 20,27 K et une température de fusion de 14,02 K. Sous de trÚs fortes pressions, comme celle qui existent au centre des géantes gazeuses, ces molécules se dissocient et l'hydrogÚne devient un métal liquide. Dans l'espace, les nuages de H2 sont à la base du processus de formation des étoiles.

Sommaire

Histoire

Le premier scientifique connu à avoir décrit la production de dihydrogÚne est le suisse Paracelse (1493-1541). Il fait cette découverte en versant du vitriol sur de la poudre de fer, mais ne comprend pas la nature exacte du gaz dégagé au cours de l'expérience.

Le chimiste anglais Henry Cavendish (1731-1810), recommençant les expĂ©riences de Paracelse avec plusieurs mĂ©taux diffĂ©rents, dĂ©couvre que le gaz ainsi produit est diffĂ©rent de l'air, est inflammable et Ă  une faible densitĂ©. Il appelle ce gaz « air inflammable Â» (en anglais : flammable air) et s'aperçoit que sa combustion produit de l'eau. Le dioxygĂšne Ă©tant lui nommĂ© « air vital Â».

Le chimiste français Antoine Lavoisier ayant confirmĂ© les expĂ©riences de Cavendish, propose le mot « hydrogĂšne Â» pour remplacer l'expression « air inflammable Â». Ce mot est formĂ© avec le prĂ©fixe hydro (du grec ᜕Ύωρ (hudĂŽr), « eau Â») et du suffixe gĂšne (du grec ÎłÎ”ÎœÎœáŸ°Îœ (gennen), « engendrer Â»).

Par la suite, dans le domaine scientifique, le mot « hydrogĂšne Â» sera utilisĂ© pour nommer l'Ă©lĂ©ment chimique et le mot « dihydrogĂšne Â» sera utilisĂ© pour la molĂ©cule.

Utilisations industrielles

La consommation mondiale d’hydrogĂšne est aujourd’hui d’environ 50 millions de tonnes par an La majeure partie de la production de dihydrogĂšne est consommĂ©e sur place, dans l’industrie chimique et pĂ©trochimique principalement: synthĂšse de l’ammoniac (50 %), raffinage et dĂ©sulfuration des hydrocarbures (37 %), synthĂšse du mĂ©thanol (12 %).

les principales utilisations industrielles du dihydrogĂšne sont :

  • les procĂ©dĂ©s Haber-Bosch de production de l'ammoniac, l'hydrogĂ©nation des graisses et des huiles et la production de mĂ©thanol.
  • la fabrication de l'acide chlorhydrique, le soudage, les carburants pour fusĂ©es et la rĂ©duction de minerais mĂ©talliques ;
  • le dihydrogĂšne liquide (LH2) est utilisĂ© pour les recherches Ă  trĂšs basses tempĂ©ratures, y compris l'Ă©tude de la supraconductivitĂ© ;
  • il Ă©tait utilisĂ© dans les ballons car il est quatorze fois plus lĂ©ger que l'air, mais il a Ă©tĂ© remplacĂ© par l'hĂ©lium pour des raisons de sĂ©curitĂ©.
  • le deutĂ©rium (2H) est utilisĂ© dans les applications nuclĂ©aires comme modĂ©rateur (eau lourde ou D2O) pour ralentir les neutrons. Les composĂ©s du deutĂ©rium sont aussi utilisĂ©s en chimie et en biologie pour Ă©tudier ou utiliser l'effet isotopique ;
  • le tritium (3H), un autre isotope, est produit dans les rĂ©acteurs nuclĂ©aires et est utilisĂ© pour la construction de bombes atomiques. Il est Ă©galement utilisĂ© comme un marqueur isotopique dans les biosciences et comme source de radiation dans les peintures luminescentes.
  • l'hydrogĂšne ou plutĂŽt de l'azote hydrogĂ©nĂ©e est aussi utilisĂ© comme gaz traceur pour effectuer des opĂ©rations de recherches de micro-fuites dans des ensembles industriels (automobiles, biens d'Ă©quipement, installation de chauffage, rĂ©seau de distribution d'eau, rĂ©servoir d'avions, etc.).
  • Le dihydrogĂšne est un additif alimentaire autorisĂ© sous la rĂ©fĂ©rence E 949, voir Liste des additifs alimentaires.

RĂ©actions de base de la production de dihydrogĂšne

Au XIXe siĂšcle, pour produire de l’hydrogĂšne, on chauffait de l’eau, on envoyait ensuite la vapeur d’eau obtenue dans un tonneau rempli de limailles et copeaux de fer. La vapeur d’eau H2O attaquait le mĂ©tal crĂ©ant de l’oxyde de fer et libĂ©rant du dihydrogĂšne. Le dihydrogĂšne, sortait ensuite du tonneau, on le filtrait dans un autre tonneau rempli d’eau. Puis, direct au ballon. Ce dispositif permettait Ă  l’armĂ©e de gonfler n’importe oĂč et en quelques heures un ballon d’observation.[rĂ©f. nĂ©cessaire]

Production d'hydrogĂšne par vaporeformage

L'hydrogĂšne est produit industriellement par deux procĂ©dĂ©s :

D'autres procĂ©dĂ©s sont aussi Ă  l'Ă©tude, basĂ©s sur le craquage ou l'oxydation partielle, qui a l'avantage d'ĂȘtre exothermique

Vaporeformage d'hydrocarbures

Le vaporeformage d'hydrocarbures est le procĂ©dĂ© qui, au XXIe siĂšcle, est le plus utilisĂ© au niveau industriel. Son principe est basĂ© sur la dissociation de molĂ©cules carbonĂ©es (mĂ©thane...) en prĂ©sence de vapeur d'eau et de chaleur. La rĂ©action globale s'Ă©crit:

\begin{matrix} & \\ C_nH_m +  2n H_2 O \overrightarrow{\qquad} & (\frac{m}{2} +2n )H_2 + n CO_2 \   \\\end{matrix}

Le rendement énergétique est de l'ordre de 40 à 45% dans certaines installations. En pratique industrielle, il est nécessaire d'aider la réaction à l'aide de catalyseurs ou de brûleurs. Elle a l'inconvénient de produire du dioxyde de carbone, un gaz à effet de serre.

Électrolyse de l'eau

Cette technologie consiste à faire passer un courant électrique dans l'eau afin d'obtenir la dissociation des molécules d'eau en dihydrogÚne et dioxygÚne.

RĂ©action Ă  l'anode :

\begin{matrix} & \\ 2H_2O (l)& \overrightarrow{\qquad} & O_2 (g) + 4H^+(aq) + 4e^-\   \\\end{matrix}

RĂ©action Ă  la cathode :

\begin{matrix} & \\ 4H_2O (l) + 4e^-\overrightarrow{\qquad} & 2H_2 (g) + 4OH^-(aq) \   \\\end{matrix}

Globalement, nous avons :

\begin{matrix} & \\ 2H_2O (l)\overrightarrow{\qquad} & 2H_2 (g) + O_2(g) \   \\\end{matrix}

Cette technologie nĂ©cessite de grandes quantitĂ©s d'Ă©lectricitĂ©. Elle est aussi cependant aujourd'hui efficace d'un point de vue Ă©nergĂ©tique : l'Ă©nergie potentielle du dihydrogĂšne produit correspond Ă  environ 80% de l'Ă©nergie Ă©lectrique consommĂ©e[rĂ©f. nĂ©cessaire]. Elle est relativement peu utilisĂ©e.

Oxydation partielle d'hydrocarbures

Cette rĂ©action est une combustion "riche" dans le sens oĂč l'on vise la production d'un gaz riche en H2 et CO (gaz de synthĂšse); au lieu des produits "classiques" CO2 et H2O.

La réaction s'écrit:

\begin{matrix} & \\ C_nH_m +   \frac{n}{2}O_2 \overrightarrow{\qquad} & \frac{m}{2} H_2 + n CO \   \\\end{matrix}

La plupart du temps, on utilise l'air comme comburant. Nous avons alors:

\begin{matrix} & \\ C_nH_m +   \frac{n}{2}O_2 + \frac{3.76}{2}n N_2 \overrightarrow{\qquad} & \frac{m}{2} H_2 + n CO + \frac{3.76}{2}n N_2\   \\\end{matrix}

La réaction est exothermique: par exemple, l'enthalpie de la réaction avec le méthane est de -35.7 kJ/mol.

Tout comme la réaction de vaporeformage, il est nécessaire de catalyser la réaction.

L'intĂ©rĂȘt de la rĂ©action d'oxydation partielle rĂ©side dans son caractĂšre exothermique (contrairement Ă  la rĂ©action de vaporeformage) qui permet d'aider la catalyse (Ă©lĂ©vation de tempĂ©rature).

L'inconvénient majeur réside dans le fait que les pourcentages de H2 sont inférieurs à ceux obtenus par vaporeformage, à cause de la présence majoritaire de l'azote de l'air. De plus, il est possible d'obenir des NOx.

Action de l'acide chlorhydrique sur le fer

Au laboratoire de Chimie (collÚge ou lycée), on produit parfois du dihydrogÚne par action de l'acide chlorhydrique sur du fer.

\begin{matrix} & \\ 2 H^+ (aq) + 2 Cl^{-} (aq) + Fe (s) \overrightarrow{\qquad} & 2 Cl^{-} (aq) + Fe^{2+} (aq) + H_2 (g)\   \\\end{matrix}

ou, formule simplifiĂ©e :

\begin{matrix} & \\ 2 H^+ (aq) + Fe (s) \overrightarrow{\qquad} & Fe^{2+} (aq) + H_2 (g)\   \\\end{matrix}

HydrogĂšne renouvelable

Afin d'ĂȘtre une Ă©nergie vraiment avantageuse en termes d'environnement, l'hydrogĂšne doit notamment pouvoir ĂȘtre produit Ă  partir d'Ă©nergie renouvelable.

Il est possible de réaliser l'électrolyse de l'eau à partir d'électricité renouvelable mais le rendement faible de cette étape diminue la quantité d'énergie globale disponible.

Une autre voie de production d'hydrogÚne renouvelable se fait par fermentation de biomasse: on peut alors parler de biohydrogÚne. Certains travaux de recherche se font sur la fermentation directe d'hydrogÚne à partir de substrats et micro organismes spécifiques. Une autre voie est la fermentation anaérobie, voie de dégradation de matiÚre organique (déchets notamment) trÚs courante, la production de biogaz et le reformage du méthane contenu dans le biogaz, en hydrogÚne comme présenté plus haut dans la partie vaporeformage.

Techniques de production

Article dĂ©taillĂ© : Production d'hydrogĂšne.

Production par Ă©lectrolyse de l'eau

La production d'hydrogÚne par électrolyse de l'eau consiste à dissocier la molécule d'eau (H2O) en molécules d'hydrogÚne et d'oxygÚne, en faisant passer un courant électrique dans l'eau.

Production par réaction chimique à partir d'eau

La production d'hydrogĂšne peut Ă©galement ĂȘtre obtenue par rĂ©action chimique en mettant en contact de l'eau, de la soude et de l'aluminium. D'autres formules chimiques existent permettant d'extraire l'hydrogĂšne de l'eau.

Production par reformage d'hydrocarbures

Ce procédé catalytique est utilisé dans l'industrie (essentiellement à partir de gaz naturel) et dans certains projets de pile à combustible. Les résidus carbonés produits peuvent poser également des problÚmes de pollution.

Le procĂ©dĂ© est surtout basĂ© sur la rĂ©action de vaporeformage dĂ©crite ci-dessus. L'oxydation partielle, Ă©ventuellement couplĂ©e Ă  la rĂ©action de vaporeformage (dans ce cas, on parle de reformage autotherme), prĂ©sente l'avantage d'ĂȘtre exothermique pour la plupart des hydrocarbures.

La production embarquĂ©e d'hydrogĂšne par reformage d'hydrocarbures (vĂ©hicules pile Ă  combustible, par exemple) est particuliĂšrement contraignante en termes d'encombrement, poids, coĂ»t, temps de rĂ©ponse, sensibilitĂ© au soufre contenue dans les carburants, ... L'application doit prĂ©senter les mĂȘmes caractĂ©ristiques en termes de sĂ©curitĂ©, fiabilitĂ© et facilitĂ© d'utilisation que les vĂ©hicules Ă  combustion interne. Des technologies catalytiques, ou plus novatrices telles que les reformeurs plasma, sont actuellement Ă  l'Ă©tude.

Production par photosynthÚse (cyanobactéries)

Certaines bactéries peuvent décomposer chimiquement l'eau en oxygÚne et hydrogÚne à l'aide de réactions photosynthétiques. Ceci permettrait de produire de l'hydrogÚne à l'aide d'énergie solaire. Des recherches sont en cours dans ce domaine, notamment en termes de génie génétique.

Stockage

Article dĂ©taillĂ© : Stockage d'hydrogĂšne.

A ce jour, trois grandes voies de stockage d'hydrogÚne à bord d'un véhicule sont envisagées[6]:

  • Le stockage comprimĂ©
  • Le stockage liquide
  • Le stockage molĂ©culaire

Gaz comprimé

C'est la forme la plus commune de stockage du dihydrogĂšne.

Le stockage gazeux sous forme comprimé (actuellement 350 bars) permet d'atteindre une densité massique satisfaisante avec des réservoirs composites. La densité volumique de stockage reste faible: une pression de 700 bars est inévitable pour rendre la technologie compétitive.

La technologie existe et est couramment utilisée. Son inconvénient réside dans l'énergie nécessaire à la compression et dans la faible efficacité en termes d'encombrement en comparaison aux autres méthodes. Cet encombrement est une des difficultés pour l'utilisation du dihydrogÚne sous forme de gaz comprimé dans les applications automobiles.

Stockage liquide (cryogénique)

Article dĂ©taillĂ© : HydrogĂšne liquide.

Le stockage liquide Ă  20 K (-253 Â°C) sous 10 bars permet d'atteindre des densitĂ©s volumique et massique intĂ©ressantes mais nĂ©cessite des rĂ©servoirs Ă  l'isolation thermique poussĂ©e afin de minimiser l'Ă©vaporation.

La technologie est existante. Elle a une meilleure efficacitĂ© volumique que le stockage de gaz comprimĂ© (70 kg.m−3 contre 10 kg.m−3 Ă  115 bar et °C). Cependant, cet avantage est modĂ©rĂ© par le volume relativement important des enceintes isolantes nĂ©cessaires.

D'autre part, il faut une énergie importante pour passer en phase liquide: la liquéfaction consomme 30 à 40% du contenu énergétique du gaz et la déperdition en utilisation réelle est importante (actuellement 1,25 pour mille par heure [7]), pénalisant fortement le stockage au-delà d'une semaine.

Cette technique est notamment utilisĂ©e dans le domaine spatial oĂč, malgrĂ© le faible dĂ©lai de mise en Ɠuvre, la remplissage est continu jusqu'au dernier moment.

Hydrures métalliques

Le stockage sur des substrats sous forme absorbée, notamment sur des hydrures métalliques, présente une densité volumique trÚs intéressante mais une densité massique faible. De plus la cinétique, la température et la pression de cyclage restent des points durs à maßtriser.

Les atomes d'hydrogĂšne sont stockĂ©s dans certains composĂ©s mĂ©talliques. On rĂ©cupĂšre le dihydrogĂšne en chauffant ou en diminuant la pression. Cette technique est aujourd'hui mal maĂźtrisĂ©e. Elle a l'inconvĂ©nient de demander un dihydrogĂšne extrĂȘmement pur afin d'Ă©viter de dĂ©truire la capacitĂ© d'absorption des hydrures. Le chauffage pour rĂ©cupĂ©rer le gaz est Ă©galement un handicap. Ce type de stockage en est au stade de recherche et n'est pas disponible aujourd'hui sur une base industrielle.

Capacité de stockage de certains hydrures.

Hydrure Pourcentage de dihydrogĂšne
contenu (en masse)
LaNi5H6,5 1,4 %
ZnMn2H3,6 1,8 %
TiFeH2 1,9 %
Mg2NiH4 3,6 %
VH2 3,8 %
MgH2 7,6 %

Stockage par adsorption sur du Carbone

Cette technique permet de stocker en surface de certaines structures de carbone telle que du charbon actif ou des nanotubes les molĂ©cules de dihydrogĂšne. Elle permet de stocker 0.05 Ă  2 % en masse de dihydrogĂšne.

Ce type de stockage est au stade de recherche.

Propriétés chimiques

Test de reconnaissance du dihydrogĂšne

Afin de tester sa prĂ©sence, on approche une bĂ»chette enflammĂ©e d'un tube Ă  essai contenant du dihydrogĂšne. Il se produit un bruit caractĂ©ristique appelĂ© « jappement Â».

Combustion

La combustion du dihydrogĂšne dans le dioxygĂšne, qui produit de l'eau, est particuliĂšrement violente (voir test de reconnaissance) et trĂšs exothermique: son pouvoir calorifique est de 141,79 MJ/kg contre, par exemple, seulement 49,51 MJ/kg pour le butane. Cette propriĂ©tĂ© en fait un carburant de choix pour les engins spatiaux mais rend son stockage dangereux. La mĂȘme oxydation plus lente est utilisĂ©e pour produire du courant Ă©lectrique dans les piles Ă  combustible.

Formes ortho et para

Le dihydrogĂšne gazeux est un mĂ©lange de type de molĂ©cules qui diffĂšrent l'une de l'autre par le spin de leur Ă©lectron et noyaux atomiques. Ces deux formes sont appelĂ©es ortho- et para-hydrogĂšne et la forme para n'existe pas Ă  l'Ă©tat pur. Dans les conditions normales de tempĂ©rature et de pression, l'hydrogĂšne est composĂ© Ă  75 % de la forme ortho et Ă  25 % de la forme para. Ces deux formes ont des niveaux Ă©nergĂ©tiques lĂ©gĂšrement diffĂ©rents et donc des propriĂ©tĂ©s physico-chimiques lĂ©gĂšrement diffĂ©rentes. Par exemple, le point de fusion et le point d'Ă©bullition du para-hydrogĂšne sont environ 0,1 K plus bas que ceux de l'ortho-.[rĂ©f. nĂ©cessaire]

L'hydrogĂšne comme vecteur d'Ă©nergie

Article dĂ©taillĂ© : Économie hydrogĂšne.

L'hydrogÚne est réguliÚrement cité comme vecteur énergétique d'avenir. Il est important de préciser qu'il ne s'agit pas d'une source primaire d'énergie mais seulement d'un mode de stockage, un peu comme une batterie. L'impact écologique de son utilisation dépend donc complÚtement de son mode de production, qui est nécessairement consommateur de matiÚre premiÚre et d'énergie, et générateur de pollution et de gaz à effet de serre.

Actuellement seulement 1 % de la production d’hydrogĂšne est utilisĂ©e comme vecteur Ă©nergĂ©tique, uniquement dans le cadre des applications spatiales.

L'hydrogĂšne pourrait ĂȘtre utilisĂ© comme vecteur Ă©nergĂ©tique avec des applications telles que la pile Ă  combustible ou le moteur Ă  hydrogĂšne. Il est souvent citĂ© comme alternative aux moteurs Ă  combustion interne "traditionnels", en raison notamment de son caractĂšre "propre", son utilisation ne rejetant thĂ©oriquement que de la vapeur d'eau.

Claude Mandil, directeur exĂ©cutif de l'Agence internationale de l'Ă©nergie, estime ainsi que l'hydrogĂšne devra « jouer un rĂŽle crucial Â» dans l'Ă©conomie mondiale[8]. De nombreuses expĂ©riences ont Ă©tĂ© menĂ©es dans le domaine des vĂ©hicules propres. Chrysler-BMW possĂšde une flotte de voitures (moteurs thermiques) roulant Ă  l'hydrogĂšne H2, sans pile Ă  combustible, avec rĂ©servoir cryogĂ©nique. Plusieurs pays europĂ©ens subventionnent des programmes d'utilisation d'hydrogĂšne dans les transports en commun.

Cependant ces applications se heurtent Ă  plusieurs difficultĂ©s :

  • Production : le dihydrogĂšne n'existe qu'en trĂšs faible quantitĂ© sur Terre (voir plus haut). Pour cette raison, il est nĂ©cessaire de le produire, Ă  partir d'eau (par Ă©lectrolyse) ou de chaĂźnes hydrogĂ©nĂ©es telles que les alcools, le gaz naturel ou les carburants commerciaux (par reformage). Ces procĂ©dĂ©s sont dĂ©veloppĂ©s dans l'article production d'hydrogĂšne.
  • Volume de stockage : le dihydrogĂšne est le carburant dont l'Ă©nergie massique de combustion est la plus importante (120 MJ/kg), mais comme l'atome d'hydrogĂšne est Ă©galement l'Ă©lĂ©ment le plus lĂ©ger, son Ă©nergie volumique de combustion est relativement faible. Pour cette raison, il est nĂ©cessaire de disposer d'un volume consĂ©quent pour alimenter par exemple un moteur Ă  hydrogĂšne. Ce problĂšme est particuliĂšrement important dans le cas d'un vĂ©hicule, oĂč l'espace disponible est limitĂ©. Pour limiter le volume du rĂ©servoir, il est nĂ©cessaire de comprimer fortement le dihydrogĂšne, cette compression est elle aussi consommatrice d'Ă©nergie.
  • Distribution : pour envisager l'utilisation Ă  grande Ă©chelle de vĂ©hicules Ă©quipĂ©s de moteur Ă  hydrogĂšne il sera nĂ©cessaire de mettre en place un rĂ©seau de distribution d'hydrogĂšne au moins aussi dense que celui existant actuellement pour les carburants "classiques" (stations service). Cependant, il est possible d'utiliser les infrastructures existantes pour les combustibles fossiles :il ne s'agit donc pas d'un effort comparable au dĂ©veloppement des filiĂšres de distribution du pĂ©trole, qui a demandĂ© plusieurs dizaines d'annĂ©es. Le coĂ»t du dĂ©ploiement d'un systĂšme complet de distribution pourrait demander de 10 Ă  15 milliards de dollars pour les seuls États-Unis, ce qui ne reprĂ©sente que 0,1 % du PIB des États-Unis[9].
  • Rejets : le mythe d'un moteur ne rejetant que de l'eau est trĂšs attractif mais malheureusement erronĂ© car trop simpliste. Pour ne rejeter que de l'eau, il faudrait que la combustion se fasse Ă  l'oxygĂšne et non Ă  l'air qui contient prĂšs de 80 % d'azote. Une combustion Ă  l'air produit des oxydes d'azote.
  • CoĂ»t des piles Ă  combustible : elles sont dotĂ©es de mousse de platine, trĂšs onĂ©reuse. D'autre part, la sĂ©curitĂ© de ces piles sur une longue durĂ©e n'est pas assurĂ©e.

De nouveaux procĂ©dĂ©s apportent des Ă©lĂ©ments de rĂ©ponse. Ainsi la technique de captation et de sĂ©questration du carbone permettrait de compenser l'Ă©mission de gaz Ă  effet de serre lors de la production d'hydrogĂšne, mais Ă  un coĂ»t important : si la fabrication d'hydrogĂšne (transport non compris) est Ă©valuĂ©e Ă  120 USD le baril en utilisant du gaz naturel, il faut compter le double si on choisit le charbon et une technique de captation/sĂ©questration[10]. Une autre solution serait d'utiliser les rĂ©acteurs nuclĂ©aires spĂ©cifiques de gĂ©nĂ©ration IV, Ă  trĂšs haute tempĂ©rature grĂące Ă  l'utilisation d'hĂ©lium comme fluide caloporteur, capables de produire de l'hydrogĂšne Ă  partir de l'eau. Ces rĂ©acteurs ne seront disponibles qu'Ă  partir de 2030 ou 2040 et le coĂ»t de leur futur dĂ©mantĂšlement n'est pas encore prĂ©cisĂ©ment connu. À partir de lĂ , puiser dans l'Ă©lectricitĂ© standardisĂ©e et disponible partout se rĂ©vĂšle une solution plus simple et plus efficace, qui ne demande qu'un faible investissement, mais non Ă©cologique.

L'utilisation d'hydrogÚne constitue donc un espoir considérable pour le stockage et le transport de l'énergie, mais reporte la difficulté sur d'autres formes d'énergie. Cette technologie ne sera donc pas utilisable à grande échelle avant plusieurs dizaines d'années.

Dangers, risques et précautions

Le dihydrogĂšne est un gaz classĂ© « extrĂȘmement inflammable Â». Il est caractĂ©risĂ© par un domaine d’inflammabilitĂ© trĂšs large (de 4 Ă  75 % du volume dans l’air), provoquant une dĂ©flagration Ă  partir d’un apport d’énergie d’activation trĂšs faible (une Ă©tincelle suffit si elle apporte une Ă©nergie de 0,02 millijoule (mJ) alors qu’il faut 0,29 mJ pour dĂ©clencher une explosion du mĂ©thane). L'hydrogĂšne mĂ©langĂ© Ă  de l'oxygĂšne dans les proportions stƓchiomĂ©triques est un explosif puissant. Le dihydrogĂšne dans l'air est un mĂ©lange dĂ©tonnant lorsque le rapport volumique H2 / air est compris entre 13 et 65 %.[rĂ©f. nĂ©cessaire]

L'histoire de son utilisation dans les ballons dirigeables est parsemĂ©e d'accidents graves, dont le plus cĂ©lĂšbre est la catastrophe du Hindenburg . Le zeppelin "LS 129", gonflĂ© de 200 000 mĂštres-cubes de dihydrogĂšne (car les USA avaient dĂ©clarĂ© envers l'Allemagne un embargo pour l' hĂ©lium ) brĂ»la le 6 mai 1937 Ă  son arrivĂ©e Ă  l'aĂ©rodrome de Lakehurst (Ă©tat du New-Jersey, prĂšs de New-York ) . 36 personnes moururent sur le total de 97 embarquĂ©es. Les mĂ©dias qui Ă©taient prĂ©sentes divulguĂšrent largement les images de la catastrophe, ce qui conduisit Ă  la dĂ©saffection du public pour les ballons. Le remplacement du dihydrogĂšne par l'hĂ©lium (beaucoup plus coĂ»teux et plus dense) ne produisit pas le regain de faveur attendu. Les enquĂȘtes sur l'origine de l'accident, facilitĂ©es par l'abondance de documents photographiques, n'incriminĂšrent pourtant pas une explosion du dihydrogĂšne, mais une inflammation par contiguitĂ©, Ă  partir d'un incendie de l'enveloppe (causĂ© probablement par une dĂ©charge d'Ă©lectricitĂ© statique). La composition du revĂȘtement Ă©tanche de l'enveloppe (butyrates et aluminium) aurait favorisĂ© une violente rĂ©action aluminothermique.

Le dihydrogÚne réagit aussi violemment avec le dichlore pour former de l'acide chlorhydrique (HCl) et avec le difluor pour former de l'acide fluorhydrique (HF).

L’industrie stocke le dihydrogĂšne Ă  l’extĂ©rieur des bĂątiments, ce qui ne sera pas possible pour une utilisation embarquĂ©e (vĂ©hicules, navires). Les normes de sĂ©curitĂ© sont renforcĂ©es pour rĂ©pondre aux risques posĂ©s par le passage dans les tunnels et le stationnement dans les garages ou parkings souterrains.

La rĂ©glementation mondiale sur les vĂ©hicules s’élabore sous l’égide de l'ONU Ă  partir des propositions des industriels, mais concernant le dihydrogĂšne, les constructeurs japonais, amĂ©ricains et europĂ©ens ne s’accordent pas. La Commission europĂ©enne pourrait dĂ©cider d’une rĂ©glementation communautaire provisoire.

En France, l’INERIS et le CEA travaillent avec l’Organisation internationale de normalisation (ISO) dans un comitĂ© technique nommĂ© TC 197 sur le risque dihydrogĂšne. Un projet europĂ©en Hysafe traite aussi de la question, oĂč l’INERIS a critiquĂ© le projet de rĂšglement en suggĂ©rant une approche plus globale et systĂ©mique et non par composant pour l’homologation des vĂ©hicules hybrides.

Dans le cadre de l'utilisation de l'hydrogĂšne en tant que vecteur d'Ă©nergie, plusieurs Ă©tudes ont soulevĂ© l'hypothĂšse d'un risque majeur pour la couche d'ozone en cas d'utilisation massive[11],[12]. La peur de l'hydrogĂšne est bien rĂ©elle, mĂȘme si le cĂ©lĂšbre "syndrome Hindenburg", nĂ© de la destruction du dirigeable allemand en 1937 Ă  Lakehurst (New Jersey), a probablement pĂ©nalisĂ© injustement la filiĂšre. D'aprĂšs un scientifique de la NASA en effet, l'incendie qui a dĂ©truit le ballon a Ă©tĂ© dĂ©clenchĂ© par une dĂ©charge Ă©lectrostatique au niveau du matĂ©riau combustible de son enveloppe extĂ©rieure, et il n'y a pas eu d'explosion de l'hydrogĂšne stockĂ© Ă  bord, qui a simplement brĂ»lĂ©. Il reste que l'accident aurait Ă©tĂ© moins violent si le ballon avait Ă©tĂ© gonflĂ© Ă  l'hĂ©lium[6]....

L'hydrogÚne n'est pas plus dangereux que le gaz naturel ou l'essence, il est tout simplement différent. En matiÚre de sûreté, les points suivants sont à retenir:

  • L'hydrogĂšne n'est pas un gaz toxique
  • Il est 8 fois plus lĂ©ger que le mĂ©thane et sa molĂ©cule, trĂšs petite, lui confĂšre un trĂšs bon coefficient de diffusion dans l'air (4 fois supĂ©rieur Ă  celui du mĂ©thane). En milieu non confinĂ©, l'hydrogĂšne a donc tendance Ă  monter et Ă  se diluer trĂšs vite dans l'air, ce qui est un facteur de sĂ©curitĂ©
  • L'hydrogĂšne est l'espĂšce chimique la plus Ă©nergĂ©tique par unitĂ© de masse (120 kJ/g). En revanche, par unitĂ© de volume de gaz, l'Ă©nergie explosive thĂ©orique est 3.5 fois plus faible pour l'hydrogĂšne que pour le gaz naturel
  • Sa limite infĂ©rieure d'inflammation est de 4% en volume, comparable Ă  celle du gaz naturel (5% en volume). En revanche, sa limite supĂ©rieure d'inflammation est nettement plus Ă©levĂ©e (75% contre 15%).
  • L'Ă©nergie nĂ©cessaire pour l'enflammer Ă  la stoechiomĂ©trie est Ă©galement nettement plus faible (environ 10 fois ) que le gaz naturel ou le propane
  • La flamme d'hydrogĂšne rayonne peu, ce qui, en cas d'incendie, limite le risque de propagation par effet de rayonnement thermique. Par contre, sa flamme bleu pĂąle est quasi invisible le jour, ce qui peut constituer un risque pour les secours
  • La flamme d'hydrogĂšne se propage beaucoup plus vite (environ 7 fois) que celle du gaz naturel et le risque de dĂ©tonation (explosion avec effet de souffle trĂšs important) n'est pas complĂštement Ă  exclure

Référence ONU pour le transport de matiÚres dangereuses

  • Nom (français) : HydrogĂšne comprimĂ©
    • Classe : 2
    • numĂ©ro : 1049
  • Nom (français) : HydrogĂšne liquide rĂ©frigĂ©rĂ©
    • Classe : 2
    • numĂ©ro : 1966
  • Nom (français) : HydrogĂšne dans un dispositif de stockage Ă  hydrure mĂ©tallique
    • Classe : 2
    • numĂ©ro : 3468

Annexes

Bibliographie

  • La RĂ©volution de l'hydrogĂšne. Vers une Ă©nergie propre et performante ?, Stephen Boucher, prĂ©face de Thierry Alleau, Paris, Ed. du Felin, 2006, 160 pages, (ISBN 2-86645-616-5).

Notes et références

  1. ↑ a , b , c , d  et e  HYDROGENE, fiche de sĂ©curitĂ© du Programme International sur la SĂ©curitĂ© des Substances Chimiques, consultĂ©e le 9 mai 2009
  2. ↑ « hydrogene Â» sur ESIS, consultĂ© le 15 fĂ©vrier 2009
  3. ↑ Office of Radiation, Chemical & Biological Safety (ORCBS). ConsultĂ© le 16 avril 2009
  4. ↑ « HydrogĂšne Â» dans la base de donnĂ©es de produits chimiques Reptox de la CSST (organisme canadien responsable de la sĂ©curitĂ© et de la santĂ© au travail), consultĂ© le 23 avril 2009
  5. ↑ NumĂ©ro index 001-001-00-9 dans le tableau 3.1 de l'annexe VI du rĂšglement CE N° 1272/2008 (16 dĂ©cembre 2008)
  6. ↑ a  et b  L'hydrogĂšne, les nouvelles technologies de l'Ă©nergie. Les clefs CEA, N°50/51, Hiver 2004-2005, ISSN 0298-6248
  7. ↑ Rapport du projet europĂ©en StorHy, page 8, hydrogen loss rate
  8. ↑ PrĂ©sentation d'un rapport remis au G8 de Saint-Petersbourg, juin 2006.
  9. ↑ Estimation de General Motors, citĂ©e par P. Laffitte et C. Saunier, Les apports de la science et de la technologie au dĂ©veloppement durable, rapport rĂ©alisĂ© pour l'Office parlementaire d'Ă©valuation des choix scientifiques et technologiques.
  10. ↑ Source : P. Laffitte et C. Saunier, op. cit.
  11. ↑ T. Rahn, J. M. Eiler, K. A. Boering, P. O. Wennberg, M. C. McCarthy, S. Tyler, S. Schauffler, S. Donelly, E. Atlas, Extreme deuterium enrichment in stratospheric hydrogen and the global atmospheric budget of H2, Nature 424, 918-921, 2003.
  12. ↑ Tromp, T. K., R-L Shia, M. Allen, J. M. Eiler et Y. L. Yung, Potential environmental impact of a hydrogen economy on the stratosphere, Science 300, 1740-1742, 2003.

Voir aussi

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