ROLE DE L'HYDROGENE DANS L'EMERGENCE

DES ENERGIES RENOUVELABLES

D. ZEJLI, R. BENCHRIFA et A. BENNOUNA

(Centre National de Coordination et de Planification de la Recherche Scientifique et Technique)

Tout être vivant, même le plus petit des micro-organismes doivent en permanence pour se maintenir en vie, transformer de l’énergie. Cette énergie constitue en plus, à l’échelle humaine, le moteur principal de tout développement économique ou presque.

Or, si l’énergie des combustibles fossiles qui n’a jamais été aussi abondamment consommée, éveille de plus en plus d’échos, c’est parce qu’elle cristallise de multiples inquiétudes objectivement fondées tant sur les risques qu’elle fait courir à l’environnement que sur la menace d’épuisement de ses réserves exploitables, dans un avenir qui ne tardera pas à voir le jour.

Par ailleurs, si l’option électronucléaire asuscité après son lancement de grands espoirs, la réalité s’est révélée beaucoup moins rose. En effet, l’expérience des dernières décennies a montré qu’elle ne remplit aucune des promesses qui la rendaient au début tellement séduisante. Elle n’est ni illimitée, ni propre, ni gratuite. De plus, si l’industrie nucléaire s’est avérée capable de réduire dans l’atmosphère l’accumulation du CO2et d'autres gaz à effet de serre, et d’atténuer les problèmes transfrontières imputables à l’utilisation des combustibles fossiles, elle n’a pu surmonter son principal handicap, le «risque majeur» dont la probabilité et les dimensions ne sont pas calculables. En effet, lorsque l’accident de Tchernobyl par exemple a été vécu en réel, il a dépassé toutes les prévisions des scénarios généralement rassurants. L’autre face du risque nucléaire est le problème de déclassement des centrales sans parler de l’impossible gestion des déchets radio-actifs.Il y a plus de 60 ans, le plutonium était quasiment absent de notre Terre. Aujourd’hui, à la suite de la multiplication des réacteurs, il y en a des milliers de tonnes, or,10 kilos de ce métal, suffisent à faire une bombe atomique.

L'écrivain français Fontenelle n'a t-il pas dit il y après de trois siècles, que «Notre folie à nous autres est de croire... que toute la nature sans exception, est destinée à nos usages. »

L’homme est-il en danger de progrès?

Tout au long de son histoire, l’homme n’a pas cessé de redresser le cours naturel des choses à son profit grâce au progrès scientifique en entraînant en un mouvement parallèle, des effets bienfaisants et des effets pervers.

Déjà, après la première guerre mondiale où les sciences avaient pour la première fois montrées l'étendue de leur puissance destructive, un Freud très pessimiste et auteur de "Malaise dans la civilisation "a dénoncé l'"instinct de mort" à l’œuvre dans ce que nous appelons "progrès".

Ce n’est pas le progrès, fruit de plusieurs siècles de recherche scientifique et technique qui est en cause, mais son usage irresponsable. Les hommes, note le philosophe allemand Hans Jonas dans son ouvrage «Le principe responsabilité», sont en train de se livrer à un jeu dangereux.

L’homme est peut être sur le point de franchir le seuil à partir duquel, le système énergétique actuel, menace de porter une atteinte irrémédiable à la nature, et risque donc de compromettre sérieusement la survie des générations futures.

Il paraît clair de ce fait que le système énergétique actuel ne pourra pas survivre indéfiniment. Le progrès qui nous a fait commettre l’imprudence d’agir comme une puissance géologique planétaire pour reprendre les termes de l’écologiste russeVladimir Vernadsky, peut nous permettre demain de faire obstacle aux périls qui peuvent en découler.

C’est donc bien une révolution énergétique qui est l’avenir obligé pour toutes les sociétés à la fois développées et celles qui le sont moins, mais pas n’importe quelle révolution énergétique. Cette dernière doit s’inscrire dans le cadre d’une nouvelle alliance de l’homme et de son environnement.

Energies renouvelables : pour que le progrès serve mieux l'avenir de l'humanité !

La révolution énergétique dont il est question doit se baser impérativement sur le changement de notre vision de la conception des systèmes énergétiques qui se sont imposés depuis les débuts de la révolution industrielle en orientant ces derniers vers l’utilisation des énergies renouvelables.

Les germes de ce bouleversement commencent déjà à se faire ressentir dans les pays hautement industrialisés qui accordent une importance stratégique tant à la recherche scientifique et technique qu'à la vision à long terme.

De toutes les énergies disponibles à l’échelle de notre planète, seules l’énergie solaire et les formes d’énergies qui en dérivent peuvent satisfaire les exigences de l’humanité pendant encore des millénaires. Tôt ou tard, nous devrons leur recourir,  mais le plus tôt serait le mieux.

En effet, face au progrès rapide des techniques d’exploitation de ces énergies et plus particulièrement de l'énergie solaire, on assiste actuellement à une diminution constante du côté du kilowatt solaire pendant que celui du kilowatt thermique classique ne fait que croître.

Cependant, plusieurs facteurs ont entravé jusqu’à présent le développement de ces sources d’énergies : ce sont àla fois leur caractère intermittent, leur utilisation directe trèslimitée et l'absence actuelle de moyens permettant le stockage deleurs vecteurs énergétiques.

L'électricité qui est considérée comme étant le principal vecteur de ces sources d'énergie, connaît depuis quelque temps un essor considérable. Le secret réside dans les avantages spécifiques que procure son utilisation, aux consommateurs. Parmi ces avantages, on citera principalement :

*  La propreté et la protection de l'environnement ;
*  La souplesse ou la modularité des applications ;
*  La facilité d'entretien des matériels ;
*  Et surtout son transport facile et instantané étant donné que ce dernier ne nécessite pas de déplacement physique de la matière.

L'équilibre entre l'offre et la demande d'électricité peut ainsi être assuré dans l'espace, entre des sites fortement éloignés (voir tableau 1) ; par contre, il ne peut l'être actuellement dans le temps par manque de moyens de stockage de cette forme d'énergie.

Tableau 1 : Transport d'électricité à grande distance.

Site de production

Pays

Longueur du réseau en Km

Tension (kV)

Procédé de production

 Courant continue

Inga Shaba	Zaïre	1780	500	Hydraulique
Pacifique Intertie Upgrada	U S A	1362	500	HydroThermique
Caroba Bassa - Apollo	Mozan-RSA	1414	533	Hydraulique
Rihand-Delhi	Inde	915	560	Thermique
Itaipu	Brésil	783	600	Hydraulique

Courant alternatif

James Bay-Curchill Falls	Canada	8000	735	Hydraulique
A E P	U S A	2000	765	Thermique
Russie	Russie	3500	750	Hydraulique
Escom	RSA	2200	800	Thermique
Siberia-Ural	Russie	2300	1200	Hydraulique

Toutefois, l’exploitation intensive des sources d’énergies renouvelables à l’échelle planétaire ne peut être envisageable que si l’humanité parvient un jour à produire de façon économique à l’aide de ces sources, un combustible bénin pour l’environnement, facile à utiliser, susceptible d'être transporté et surtout d'être stocké.

Rôle de l’Hydrogène dans l’émergence des énergies renouvelables.

Nous avons toutes les raisons de croire que l’hydrogène est le principal, sinon le seul produit, qui peut répondre aux critères de choix du meilleur combustible et donc, qui est appelé à rendre le vaste gisement solaire et éolien beaucoup plus accessible.

Abondance de la matière première (voir tableau 2), propreté et recyclage naturel sont les propriétés qui feront que ce gaz sera amené à jouer un rôle de premier plan durant les décennies prochaines. D'autres qualités (économie et fiabilité)finiront par l'imposer plus massivement grâce au progrès rapide des technologies auquel nous assistons.

Tableau2 : Abondance comparée de l'hydrogène à certains éléments

(en pourcentage d'atomes).

Univers

Eau de mer

Corps humain

H	90	H	66	H	63
He	9	O	33	O	25,5
O	0,1	Cl	0,33	C	9,5
C	0,06	Na	0,27	N	1,4

Ce vecteur d’énergie (l'hydrogène) est le seul qui peut être produit au moyen de l'eau et d’une large variété de sources d’énergies renouvelables (en utilisant différentes techniques: thermochimie, photochimie ou l'électrolyse), puis utilisé avec des dommages négligeables pour l’environnement suivantun cyclequi peut se répéter indéfiniment, comme l’illustre bien la figure 1.

Figure 1 : Cycle d'hydrogène.

Par ailleurs, l’hydrogène est doté d'excellentes propriétés physico-chimiques (voir tableau 3) et thermiques(voir tableau 4) lui conférant la qualité de combustible universel. D’autres propriétés spécifiques à l’hydrogène sont à l’origine du développement de nouvelles techniques de production de chaleur(combustion catalytique) et d’électricité (piles à combustible).

Installation de production de l'hydrogène par électrolyse en Egypte. L'électricité utilisée est d'origine hydraulique (énergie renouvelable)

Tableau 3 : Quelques propriétés physico-chimiques de l'hydrogène.

	Hydrogène	Gaz naturel	Essence
Diffusion dans l'air   (cm2/s)	0,61	0,16	0,05
Température d'auto inflammation   (¡C)	585	540	228 - 501
Température de la flamme en prÉsence d'air (¡C)	2045	1875	2200
Energie minimale d'allumage (mJ)	0,02	0,29	0,24
Vitesse de propagation de la flamme dans l'air (cm/s)	265	40	40
Les limites d'inflammation dans l'air (Vol %)	4 - 75	5,3 - 15	1 - 7,6
Les limites de dÉtonation (Vol %)	18,3 - 59	6,3 - 13,5	1,1 - 3,3
Vitesse de propagation de l'explosion (km/s)	1,48 - 2,15	1,39 - 1,64	1,4 - 1,7
Energie de l'explosion    (g TNT/m3)	2,02	7,03	44,22

Tableau 4 : Densité énergétique de l'hydrogène comparée à celles d'autres combustibles.

Densité (D.)	D. volumique d’énergie(MJ/l)	D.  massique d’énergie(MJ/kg)	D.  massique  (kg/m3)
Hydrogène gaz(16 MPa)	1,76	120,2	14,7
Hydrogène liquide(-253¡C)	8,4	120,2	71
Méthane gaz (16 MPa)	5,51	50,0	111
Méthane liquide(-161¡C)	21,5	39,1	550
Essence	32,3	43,0	720

Réservoir d'hydrogène liquide pour des applications de transport (BMW) L'hydrogène entre depuis longtemps en tant que matière première dans la synthèse de plusieurs produits allant des engrais aux matières plastiques. Les principales utilisations industrielles de l'hydrogène se retrouvent dans les secteurs de la pétrochimie, de la synthèse de l'ammoniac et de la métallurgie. En tant que vecteur d'énergie, il est le carburant principal des fusées.

Afin d'élargir la gamme d'utilisation énergétique de l'hydrogène, plusieurs études sont actuellement en cours. Dans le secteur automobile, les firmes Mercedes et BMW en Allemagne travaillent depuis des années sur la mise au point de modèles de voitures pouvant utiliser l'hydrogène comme carburant. Au Japon, les firmes Toyota, Nissan et Suzuki suivent la même voie. Dans le domaine aéronautique, les américains ont déjà testé à la fin des années 50 l'hydrogène liquide dans le vol horizontal des B57 Canberra, les résultats qui étaient encourageant sont prouvés l'efficacité de l'hydrogène liquide dans de telles applications. Depuis 1973, des efforts considérables ont été déployés dans ce domaine, ce qui a permis de réaliser en 1988 le premier vol complet (décollage, vol horizontal et atterrissage) par Tupolew enex-URSS.

 Suivant le besoin en énergie, l'hydrogène peut, soit fournir la chaleur par combustion vive ou catalytique, soit, produire de l'électricité directement par les piles à combustible. Le principe de fonctionnement de ces dernières repose sur la conversion directe de l'énergie chimique en énergie électrique. Leur rendement énergétique est d'environ 60% et peut atteindre85% en cogénération.

La combustion vive de l'hydrogène dans l'air produit essentiellement de l'eau avec notamment des teneurs en oxydes d'azote pouvant être qualifiées de négligeables, pourvu que la température de combustion soit contrôlée. La combustion catalytique peut éliminer totalement le rejet de ces oxydes.

Production décentralisée d'électricité et de chaleur (Cogéneration) au moyen de piles à combustible et de l'hydrogène (puissance: 200 kWe + 150 kWth).

De plus, l'adoption future de l'hydrogène en tant que vecteur énergétique, peut bénéficier du savoir-faire déjà acquis dans le transport, le stockage et la distribution du gaz naturel gazeux ou liquide. Il convient de signaler à ce sujet, que des méthaniers de plus en plus volumineux sillonnent mers et océans et les rares incidents que l'on a eu à déploreront eu des effets moins dramatiques que dans le cas des accidents des pétroliers.

Conclusion

L'avènement de l'électricité solaire combiné au progrès rapide de la technologie de l'hydrogène offre une chance à l'humanité de voir un jour éteint la crise de l'énergie et de l'environnement qui secoue la planète entière.

Le recours à l’hydrogène n’implique pas nécessairement une mutation brutale. La substitution pourrait se faire progressivement. Si certaines applications paraissent lointaines, d’autres pourront se réaliser à partir de la décennie prochaine.

Avec à la fois, des gisements solaires et éoliens importants, des vastes étendues de surface à proximité d'une longue côte maritime et enfin un potentiel scientifique et technologique à la hauteur des ambitions de notre pays, le Maroc dispose de tous les atouts nécessaires pour développer et tirer profit de cette nouvelle technologie.

Outre son caractère respectueux de l'environnement, et comme il ressort de l'ouvrage "Vers un Maroc exportateur d'énergie" du Professeur Bennouna, co-auteur de cet article, la production de l'hydrogène offrirait à notre pays d'énormes possibilités de création de débouchés et donc d'emplois, tout en lui permettant d'éliminer sa forte dépendance énergétique, cause principale du déficit de sa balance commerciale.

Pour en savoir plus :

R. BENCHRIFA ; D. ZEJLI  et A. BENNOUNA. L'hydrogène, énergie de l'avenir.
5èmes journées du Groupe d'Etudes et de Recherches sur les Energies Renouvelables. Faculté des Sciences, Rabat 5 - 6 Décembre1991.

A. BENNOUNA. Vers un Maroc exportateur d'énergie.
Maison d'Editions Maghrébines. En presse (Mai 1994).

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Le Monde Diplomatique, mars 1991, pp : 26-27.

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Springer-Verlag Berlin, Heidelberg , 1991.