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L'hydrogène vert , livre ebook

EDP Sciences - Bernard Wiesenfeld

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Extrait

Description

L’Homme a longtemps cru que la Terre était infinie et ses ressources illimitées. Il découvre aujourd’hui qu’il vit dans un espace restreint et que la pénurie menace son existence. Il sait depuis longtemps que le climat peut perturber ses activités. Il apprend maintenant que ses activités peuvent provoquer un désastre climatique. Face à ces contraintes de plus en plus oppressantes, nous devons nous adapter à un monde qui change et trouver des pistes pour construire un avenir meilleur. Une de ces pistes consiste à abandonner définitivement l’usage des énergies fossiles responsables du réchauffement climatique et dont les réserves vont rapidement s’épuiser. Ainsi, il faut que les énergies de remplacement soient abondantes et facilement disponibles, qu’elles soient propres et viables techniquement et économiquement. L’objectif de cet ouvrage est de démontrer que, sous certaines réserves, l’hydrogène peut être l’une de ces énergies de remplacement. En particulier, l’hydrogène est amené à jouer, dans les prochaines décennies, un rôle majeur en tant qu’énergie de propulsion des véhicules terrestres et aériens, des fusées et des vaisseaux spatiaux. Le défi de demain sera alors de faire passer l’hydrogène du stade d’une matière première traditionnelle pour l’industrie chimique à celui d’un vecteur énergétique à la fois inépuisable et décarboné pour toutes les mobilités.

Introduction.................................................................................7

1. Qu’est-ce que l’hydrogène....................................................... 11

Historique de l’hydrogène, du siècle des lumières à nos jours......... 11

Propriétés énergétiques de l’hydrogène ....................................... 15

L’hydrogène : une matière première pour l’industrie et un vecteur énergétique pour les mobilités................................................... 16

Sécurité liée à l’utilisation de l’hydrogène ................................... 17

2. Les « gisements d’hydrogène » n’existent pas........................... 27

Généralités sur la production de l’hydrogène................................ 28

Procédés de production de l’hydrogène utilisant l’énergie fossile .... 41

Procédés de production de l’hydrogène utilisant les énergies renouvelables et l’énergie nucléaire............................................ 47

3. Comment stocker, transporter et distribuer l’hydrogène ............ 53

Le stockage : une gamme large desolutions................................ 53

Transport et distribution........................................................... 58

4. Les piles à combustibles ou piles « inusables »........................ 63

La pile alcaline (AFC)............................................................... 69

La pile à membrane échangeuse de protons (PEMFC)..................... 70

La pile à acide phosphorique (PAFC)........................................... 72

La pile au carbonate fondu (MCFC)............................................. 73

La pile à oxyde solide (SOFC)..................................................... 74

La pile au méthanol (DMFC)....................................................... 76

5. L’hydrogène : une matière première à notre disposition............ 79

Dans la chimie et la pétrochimie................................................ 81

Dans le réseau de transport de l’électricité .................................. 85

6. L’hydrogène, un vecteur énergétique pour les transports terrestres et aériens............................................................... 91

L’hydrogène pour décarboner les transports terrestres................... 91

L’hydrogène pour décarboner l’aviation commerciale ..................... 100

Le stockage de l’hydrogène liquide ............................................. 112

L’hydrogène pour décarboner l’aviation légère.............................. 113

7. L’hydrogène, un carburant pour les mobilités spatiales ............. 115

Quelques rappels historiques...................................................... 115

La radioactivité à la conquête de l’espace ................................... 118

La propulsion d’une fusée......................................................... 120

La propulsion nucléaire et la problématique d’un voyage vers la planète Mars................................................................. 125

Notion de doses radioactives..................................................... 130

Les rayonnements cosmiques..................................................... 132

Quelques notions préliminaires sur la physique des réacteurs nucléaires...............................................................................135

Avantages de la propulsion nucléaire dans un vol vers Mars et au-delà...............................................................................139

L’hydrogène et la propulsion nucléaire thermique ......................... 141

Conclusion

De l’hydrogène chimique à l’hydrogène énergétique ............................. 151

Définitions...................................................................................160

Sigles et acronymes...................................................................... 164

Bibliographie...............................................................................167

Sujets

Environnement

Informations

Publié par	EDP Sciences
Date de parution	04 mai 2023
Nombre de lectures	3
EAN13	9782759829200
Langue	Français
Poids de l'ouvrage	3 Mo

Informations légales : prix de location à la page 0,1700€. Cette information est donnée uniquement à titre indicatif conformément à la législation en vigueur.

Extrait

B U L L E S D E S C I E N C E S

Bernard Wiesenfeld

L’hydrogène vert Le déﬁ de demain, pour une énergie inépuisable et décarbonée

B U L L E S D E S C I E N C E S

Bernard Wiesenfeld

L’hydrogène vert Le déﬁ de demain, pour une énergie inépuisable et décarbonée

L’Homme a longtemps cru que la Terre était inf inie et ses ressources illimitées. Il découvre aujourd’hui qu’il vit dans un espace restreint et que la pénurie menace son existence. Il sait depuis longtemps que le climat peut perturber ses activités. Il apprend maintenant que ses activités peuvent provoquer un désastre climatique.

Face à ces contraintes de plus en plus oppressantes, nous devons nous adapter à un monde qui change et trouver des pistes pour construire un avenir meilleur. Une de ces pistes consiste à abandonner déf initivement l’usage des énergies fossiles responsables du réchauffement climatique et dont les réserves vont rapidement s’épuiser. Ainsi, il faut que les énergies de remplacement soient abondantes et facilement disponibles, qu’elles soient propres et viables techniquement et économiquement.

L’objectif de cet ouvrage est de démontrer que, sous certaines réserves, l’hydrogène peut être l’une de ces énergies de remplacement. En particu-lier, l’hydrogène est amené à jouer, dans les prochaines décennies, un rôle majeur en tant qu’énergie de propulsion des véhicules terrestres et aériens, des fusées et des vaisseaux spatiaux. Le déf i de demain sera alors de faire passer l’hydrogène du stade d’une matière première traditionnelle pour l’industrie chimique à celui d’un vecteur énergétique à la fois inépuisable et décarboné pour toutes les mobilités.

Bernard Wiesenfeldest docteur en physique nucléaire et directeur-fondateur d’une so-ciété d’études et de conseil en ingénierie énergétique. Il enseigne également à l’école des Mines de Paris et est l’auteur de plusieurs ouvrages scientif iques publiés aux Éditions EDP Sciences et aux Presses des Mines.

9 782759 829194

ISBN : 978-2-7598-2919-4 www.edpsciences.org

L’hydrogène vert

DU MÊME AUTEUR

L’atome écologique, EDP Sciences, 1998 L’énergie en 2050, nouveaux défis et faux espoirs, EDP Sciences, 2006 Les déchets nucléaires : état des lieux et perspectives, EDP Sciences, 2011 Promesses et réalités des énergies renouvelables, EDP Sciences, 2013 Une introduction à la neutronique, Presses des Mines, collection e « Les cours », 2 édition, 2022

L’hydrogène vert Le défi de demain, pour une énergie inépuisable et décarbonée

BERNARD WIESENFELD

17, aVenue du HOGGaR – P.A. de COuRtabœuf BP 112, 91944 Les Ulis Cedex A

COmpOsitiOn et mise en paGes : FlexedO COuVeRtuRe : COnceptiOn GRaphique de B. DefRetin, Lisieux IllustRatiOn de cOuVeRtuRe : peb & fOx

ImpRimé en FRance ISBN (papieR) : 978-2-7598-2919-4 ISBN (ebOOk) : 978-2-7598-2920-0

TOus dROits de tRaductiOn, d’adaptatiOn et de RepROductiOn paR tOus pROcédés, RéseRVéspOuR tOus paYs. La lOi du 11 maRs 1957 n’autORisant, aux teRmes des alinéas 2 et 3 del’aRticle 41, d’une paRt, que les « cOpies Ou RepROductiOns stRictement RéseRVées à l’usaGe pRiVé du cOpiste et nOn destinées à une utilisatiOn cOllectiVe », et d’autRe paRt, que lesanalYses et les cOuRtes citatiOns dans un but d’exemple et d’illustRatiOn, « tOute RepRé-sentatiOn intéGRale, Ou paRtielle, faite sans le cOnsentement de l’auteuR Ou de ses aYants eR dROit Ou aYants cause est illicite » (alinéa 1 de l’aRticle 40). Cette RepRésentatiOn Ou RepROductiOn, paR quelque pROcédé que ce sOit, cOnstitueRait dOnc une cOntRefaçOn sanctiOnnéepaRlesaRticles425etsuiVantsducOdepénal. © EDP Sciences, 2023

SOMMAIRE

Introduction.................................................................................

1. Qu’est-ce que l’hydrogène....................................................... Historique de l’hydrogène, du siècle des lumières à nos jours......... Propriétés énergétiques de l’hydrogène ....................................... L’hydrogène : une matière première pour l’industrie et un vecteur énergétique pour les mobilités................................................... Sécurité liée à l’utilisation de l’hydrogène ................................... 2. Les « gisements d’hydrogène » n’existent pas........................... Généralités sur la production de l’hydrogène................................ Procédés de production de l’hydrogène utilisant l’énergie fossile .... Procédés de production de l’hydrogène utilisant les énergies renouvelables et l’énergie nucléaire ............................................ 3. Comment stocker, transporter et distribuer l’hydrogène............ Le stockage : une gamme large de solutions ................................ Transport et distribution ........................................................... 4. Les piles à combustibles ou piles « inusables »........................ La pile alcaline (AFC) ............................................................... La pile à membrane échangeuse de protons (PEMFC)..................... La pile à acide phosphorique (PAFC) ........................................... La pile au carbonate fondu (MCFC) ............................................. La pile à oxyde solide (SOFC)..................................................... La pile au méthanol (DMFC)....................................................... 5. L’hydrogène : une matière première à notre disposition............ Dans la chimie et la pétrochimie................................................ Dans le réseau de transport de l’électricité .................................. 6. L’hydrogène, un vecteur énergétique pour les transports terrestres et aériens............................................................... L’hydrogène pour décarboner les transports terrestres ................... L’hydrogène pour décarboner l’aviation commerciale ..................... Le stockage de l’hydrogène liquide ............................................. L’hydrogène pour décarboner l’aviation légère.............................. 7. L’hydrogène, un carburant pour les mobilités spatiales............. Quelques rappels historiques...................................................... La radioactivité à la conquête de l’espace ................................... La propulsion d’une fusée ......................................................... La propulsion nucléaire et la problématique d’un voyage vers la planète Mars .................................................................

11 11 15

16 17 27 28 41

47 53 53 58 63 69 70 72 73 74 76 79 81 85

91 91 100 112 113 115 115 118 120

125

SOMMAIRE

Notion de doses radioactives ..................................................... Les rayonnements cosmiques ..................................................... Quelques notions préliminaires sur la physique des réacteurs nucléaires ............................................................................... Avantages de la propulsion nucléaire dans un vol vers Mars et au-delà............................................................................... L’hydrogène et la propulsion nucléaire thermique .........................

Conclusion De l’hydrogène chimique à l’hydrogène énergétique.............................

Annexes

DéInitions................................................................................... Sigles et acronymes ...................................................................... Bibliographie ...............................................................................

L’HyDrogèNE vErT

130 132

135

139 141

151

160 164 167

INTRODUCTION

L’Homme a longtemps cru que la Terre était infinie et ses ressources illimitées. Il découvre aujourd’hui qu’il vit dans un espace restreint et que la pénurie menace son existence. Il sait depuis longtemps que le climat peut perturber ses activités. Il apprend maintenant que ses activités peuvent provoquer un désastre climatique.

Face à ces contraintes de plus en plus oppressantes, auxquelles s’ajoute l’instabilité géopolitique planétaire grandissante, nous devons nous adapter à un monde qui change et trouver des pistes pour construire un avenir meilleur. Une de ces pistes consiste à abandonner définitivement l’usage du charbon, du gaz et du pétrole parce qu’ils nous placent dans une position inconfortable de dépendance énergétique vis-à-vis des pays fournisseurs souvent politiquement instables et par ailleurs, parce qu’en brûlant, ces énergies fossiles dégagent dans l’atmosphère des produits toxiques pour l’Homme (monoxyde de carbone, dioxyde de soufre ou d’azote…), ou susceptibles de perturber le climat (dioxyde de carbone).

INTRODUCTION

Ainsi, il faut que les énergies de remplacement soient abondantes et disponibles sur le territoire national, qu’elles soient « propres » et bien sûr il faut vérifier leur faisabilité technique et économique. L’objectif de cet ouvrage est de démontrer que, sous certaines réserves, l’hydrogène peut être l’une de ces énergies de remplacement.

En effet, il sera montré aux chapitres 1 et 2 que l’hydrogène est un élément abondant dans la nature et qu’il peut être produit de façon « propre ». Nous montrerons ensuite au chapitre 3 que des solutions tech-niques et économiques acceptables existent pour assurer la logistique (stockage, transport et distribution). Toutes les possibilités d’utilisation de l’hydrogène seront déclinées dans les chapitres 5, 6 et 7, en considérant les deux fonctions princi-pales qu’il peut assurer : une matière première pour l’industrie ; •un vecteur énergétique pour les mobilités.

Aujourd’hui, l’usage principal de l’hydrogène réside dans la synthèse de l’ammoniac et la désulfuration des hydrocarbures, c’est-à-dire dans l’industrie chimique. L’hydrogène en tant que vecteur énergétique ne se rencontre que dans la propulsion des fusées. À l’évidence, la consommation de l’hydrogène dans cette activité spécifique est globalement très faible.

Cependant, nous verrons que l’utilisation de l’hydrogène, pour la propulsion des différentes mobilités, terrestres, aériennes et spatiales, est vouée à un développement important à court et moyen termes, d’autant qu’il existe une volonté politique avérée de soutenir diffé-rents projets en ce sens.

Les utilisations de l’hydrogène énergétiques qui sont plébiscitées par les industriels sont de deux types : • soit l’hydrogène alimentera une pile à combustible associée à un moteur électrique, pour propulser un véhicule terrestre ou un avion léger de l’aviation générale ;

L’HyDrogèNE vErT