Comment produit-on l'hydrogène vert
Fais passer de l'électricité dans l'eau et elle se sépare en hydrogène et en oxygène, deux bulles contre une, exactement comme le dit la formule. Tout ce qui est intéressant dans l'hydrogène, c'est ce que cela te coûte.
Casser l'eau avec de l'électricité
Niveau Débutant — langage simple, sans maths
L'hydrogène ne s'extrait pas. Il n'y a pas de mines d'hydrogène, parce que sur Terre l'hydrogène est toujours accroché à autre chose - le plus souvent à l'oxygène, sous forme d'eau. Donc si tu veux de l'hydrogène, tu dois le reprendre, et cela coûte de l'énergie. L'hydrogène n'est pas un carburant qu'on trouve : c'est une façon de transporter une énergie que tu avais déjà.
La manière la plus propre de le faire est magnifiquement simple. Mets deux plaques métalliques dans l'eau, branche une pile, et l'eau se sépare : des bulles d'hydrogène montent d'une plaque et des bulles d'oxygène de l'autre. Et voici le plus joli : tu obtiens exactement deux fois plus d'hydrogène que d'oxygène, parce que l'eau est H₂O et que chaque molécule a deux hydrogènes pour un oxygène. Tu peux regarder la formule se produire en direct, dans la taille des deux colonnes de gaz.
Brûle cet hydrogène plus tard, ou fais-le passer dans une pile à combustible, et la seule chose qui sort, c'est de l'eau à nouveau. Rien d'autre. C'est pour cela que l'idée est si séduisante, et pour cela que le mot vert travaille si dur : l'hydrogène n'est propre que si l'électricité qui a cassé l'eau l'était. Aujourd'hui, environ 95 % de l'hydrogène mondial est fabriqué à partir de gaz naturel, et ce procédé libère à peu près dix kilogrammes de dioxyde de carbone par kilogramme d'hydrogène.
Le hic, c'est que chaque étape te coûte. Pars de 100 unités d'électricité et tu en obtiens environ 70 stockées sous forme d'hydrogène. Comprime-le dans un réservoir et tu en perds encore. Reconvertis-le en électricité dans une pile à combustible et tu tombes vers 35. Une batterie t'en aurait rendu 90. L'hydrogène n'est donc pas la réponse à tout : c'est la réponse aux choses qu'un câble et une batterie ne savent réellement pas faire - fabriquer de l'acier et des engrais, alimenter navires et avions, et stocker de l'énergie pour un mois entier sans vent plutôt que pour une nuit.
Bon à savoir
- L'hydrogène contient plus d'énergie par kilogramme que n'importe quel autre carburant, environ trois fois plus que le gazole. Il a aussi la pire énergie par litre de tout ce qui est utilisable, d'où la nécessité de le comprimer à 700 fois la pression atmosphérique ou de le refroidir à −253 °C.
- Le monde utilise déjà environ 95 millions de tonnes d'hydrogène par an, presque uniquement pour fabriquer des engrais et raffiner du pétrole. Presque rien n'est vert : décarboner l'hydrogène que nous utilisons déjà est un chantier plus grand qu'en inventer de nouveaux usages.
- Il faut environ neuf litres d'eau pour produire un kilogramme d'hydrogène. À l'échelle d'un programme national, c'est réel mais modeste - à peu près ce que boit un terrain de golf.
Volts, surtension et le prix d'un kilogramme
Niveau Élève — les équations essentielles
Casser l'eau coûte une quantité d'énergie fixée : \(\Delta H = 286\ \text{kJ/mol}\) pour l'eau liquide, dont \(\Delta G = 237\ \text{kJ/mol}\) doit arriver sous forme de travail électrique, le reste \(T\Delta S\) pouvant arriver sous forme de chaleur. Divise l'enthalpie libre par \(nF\) et tu obtiens la tension réversible de cellule, \(E_{\text{rev}} = 1{,}23\ \text{V}\). Divise plutôt l'enthalpie et tu obtiens la tension thermoneutre, 1,48 V - le point où la cellule n'a besoin d'aucune chaleur extérieure et n'en produit pas.
C'est ce second nombre qui compte, car il transforme le rendement en quelque chose qui se lit sur un voltmètre : \(\eta = 1{,}48/V_{\text{cellule}}\). Fais fonctionner une cellule à 1,8 V et tu es à 82 % - chaque volt au-dessus de 1,48 est de la chaleur, pas de l'hydrogène. Les systèmes réels perdent encore 5 à 10 % en pompes, séchage et électronique de puissance, et atterrissent entre 65 et 75 %.
Pourquoi ne pas simplement faire fonctionner chaque cellule à 1,5 V, alors ? Parce que c'est justement la tension supplémentaire qui pousse le courant. La courbe de polarisation \(V(j) = E_{\text{rev}} + \eta_{\text{act}} + jR\) monte avec la densité de courant : surtension d'activation, dominée par la très lente réaction de dégagement d'oxygène, plus la perte ohmique dans la membrane. Pousse davantage et tu produis plus d'hydrogène avec le même empilement coûteux, mais chaque kilogramme coûte plus d'électricité. L'optimum économique est un compromis entre coût de capital par kilowatt et coût de l'électricité par kilogramme, et une électricité bon marché pousse toujours à pousser plus fort.
La production, elle, est du pur Faraday : \(\dot n_{H_2} = I/2F\), deux électrons par molécule, sans exception et sans terme de rendement - les électrons qui arrivent font de l'hydrogène. Seule varie la tension que tu as payée pour les déplacer. En unités pratiques, un système à 70 % consomme environ 56 kWh par kilogramme, donc à 50 €/MWh la seule électricité coûte 2,80 € le kilo : voilà pourquoi toute la filière est un pari sur une électricité bon marché et de longues heures de fonctionnement, plutôt que sur une chimie astucieuse.
Formules clés
| La réaction | \(2\mathrm{H_2O} \rightarrow 2\mathrm{H_2} + \mathrm{O_2}\) | deux volumes contre un |
|---|---|---|
| Énergie nécessaire | \(\Delta H = 286\ \text{kJ/mol}\) | ΔG = 237 kJ/mol |
| Tension réversible | \(E_{\text{rev}} = \dfrac{\Delta G}{nF} = 1.23\ \text{V}\) | |
| Tension thermoneutre | \(V_{tn} = \dfrac{\Delta H}{nF} = 1.48\ \text{V}\) | |
| Rendement de l'empilement | \(\eta = \dfrac{1.48}{V_{\text{cellule}}}\) | base PCS |
| Courbe de polarisation | \(V(j) = E_{\text{rev}}+\eta_{\text{act}}+jR\) | |
| Débit produit | \(\dot n_{H_2} = \dfrac{I}{2F}\) | F = 96485 C/mol |
| Consommation spécifique | \(\dfrac{39.4}{\eta}\ \text{kWh/kg}\) | ≈ 56 kWh/kg à 70 % |
Bon à savoir
- Un kilogramme d'hydrogène contient 33,3 kWh (pouvoir calorifique inférieur) - à peu près l'énergie d'un gallon d'essence, et environ ce qu'une voiture électrique moderne consomme sur 200 km.
- Le goulet d'étranglement est du côté oxygène, pas hydrogène. Le dégagement d'oxygène exige quatre électrons et un lourd réarrangement de liaisons, il porte donc l'essentiel de la surtension d'activation et réclame de l'iridium, l'un des métaux les plus rares de la Terre.
- En dessous de 1,48 V, une cellule absorbe de la chaleur de son environnement pendant qu'elle travaille. Au-dessus, elle se chauffe elle-même - ce qui explique exactement pourquoi les empilements industriels doivent être refroidis et non chauffés.
Surtensions, optimum de densité de courant, et où l'hydrogène gagne vraiment
Niveau Expert — profondeur mathématique complète
01Deux tensions, et l'arithmétique des annonces de rendement
L'électrolyse de l'eau a deux tensions caractéristiques, et les confondre est la façon dont la plupart des chiffres publics se trompent. \(E_{\text{rev}} = \Delta G/nF = 1{,}229\ \text{V}\) dans les conditions standard est le travail électrique minimal ; le solde \(T\Delta S = 48{,}6\ \text{kJ/mol}\) peut être fourni thermiquement, et c'est pourquoi une cellule exploitée entre 1,23 et 1,48 V refroidit son environnement. \(V_{tn} = \Delta H/nF = 1{,}481\ \text{V}\) est le point thermoneutre. Un rendement rapporté au PCS utilise 1,48 ; rapporté au PCI, il utilise 1,25 ; un fournisseur peut citer l'un ou l'autre, si bien qu'un empilement à 82 % sur une base est à 69 % sur l'autre sans le moindre changement physique. Les cellules à oxyde solide haute température exploitent honnêtement la même thermodynamique : élever \(T\) déplace davantage de \(\Delta H\) vers le terme entropique, donc avec une source de chaleur gratuite elles peuvent dépasser 90 % sur la seule électricité.
02Pourquoi le problème est du côté oxygène
Les deux électrodes obéissent à la cinétique de Butler-Volmer, avec la forme de Tafel \(\eta_{\text{act}} = a + b\log j\) à surtension appréciable. La réaction de dégagement d'hydrogène sur platine a une densité de courant d'échange proche de \(10^{-3}\ \text{A/cm}^2\) et est quasi réversible ; le dégagement d'oxygène est à quatre électrons, implique la formation d'une liaison O-O et affiche des densités de courant d'échange inférieures de plusieurs ordres de grandeur, il porte donc l'essentiel de la perte d'activation. Ce seul fait explique le problème matériaux : les électrolyseurs PEM exigent des anodes à oxyde d'iridium, et la production mondiale d'iridium se compte en quelques tonnes par an. Les cellules alcalines évitent l'iridium au prix d'une densité de courant plus faible et d'une moins bonne réponse dynamique ; celles à oxyde solide évitent les deux problèmes et en héritent un de dégradation des matériaux.
03L'optimum de densité de courant
Le coût actualisé de l'hydrogène se scinde en un terme de capital qui baisse avec la densité de courant et un terme d'énergie qui monte avec elle : \(\text{LCOH} \approx \frac{C_{\text{cap}}\,\mathrm{CRF}}{8760\,\mathrm{CF}\,\dot m(j)} + p_e\,\text{SEC}(j)\). Comme \(\dot m \propto j\) et \(\text{SEC} \propto V(j)\), l'optimum se situe là où la pénalité marginale d'électricité égale l'économie marginale de capital. Une électricité bon marché ou un faible facteur de charge déplacent l'optimum vers les fortes \(j\) ; une électricité chère et des empilements bon marché le ramènent vers le bas. C'est aussi pourquoi le facteur de charge de l'électrolyseur est la charnière de tout projet : un empilement fonctionnant 2000 heures par an sur des surplus renouvelables porte une charge de capital par kilogramme quatre fois supérieure à celui qui en fait 8000 - la tension au cœur du couplage entre électrolyse et production variable.
04Tout ce qui vient après l'empilement
L'avantage gravimétrique de l'hydrogène - 120 MJ/kg contre 43 pour le gazole - se paie d'un désastre volumétrique : 0,09 kg/m³ dans les conditions ambiantes. La compression à 700 bar coûte environ 10 à 12 % de l'énergie du combustible, la liquéfaction 30 à 35 %, et les deux ajoutent du capital. Des vecteurs comme l'ammoniac ou les hydrures organiques liquides échangent cela contre des pertes de conversion aux deux bouts. La molécule fuit aussi à travers des matériaux qui retiennent le méthane, fragilise de nombreux aciers et - résultat quantifié récemment - est elle-même un gaz à effet de serre indirect, car elle allonge la durée de vie du méthane en consommant les radicaux OH, avec un PRG à cent ans aujourd'hui estimé près de 11. Une économie de l'hydrogène qui fuit n'est pas une économie inoffensive.
05L'échelle des rendements, et ce qui y survit
Le rendement de chaîne décide de l'usage, et les comparaisons ne sont pas serrées. Électricité → hydrogène → voiture à pile à combustible : environ 0,70 × 0,90 × 0,55 ≈ 35 %, contre 77 % pour recharger directement une voiture à batterie. Hydrogène pour le chauffage domestique : 0,70 × 0,90 ≈ 63 % contre une pompe à chaleur qui délivre 300 %. Avec cette arithmétique, l'hydrogène perd partout où des électrons peuvent faire le travail. Ce qui reste est tout de même considérable, car certains travaux exigent une molécule et non un courant : synthèse d'ammoniac et de méthanol, réduction directe du minerai de fer pour l'acier, raffinage, carburants d'aviation et maritimes, et stockage saisonnier où un réservoir bon marché bat une batterie coûteuse même à 35 % de rendement. La distinction n'est pas idéologique : elle consiste à savoir si l'alternative est un câble.
06Ce qui détermine réellement le coût
Aux prix actuels des empilements, l'électricité représente 60 à 80 % du coût de l'hydrogène vert : le LCOH est donc essentiellement un prix de l'électricité réécrit et divisé par un rendement, plus un terme de capital qui punit les empilements à l'arrêt. Voilà pourquoi les projets annoncés se concentrent là où l'électricité est la moins chère et la plus constante, pourquoi presque toute courbe de coût crédible est en réalité un pari sur le prix de l'électricité renouvelable, et pourquoi l'écart entre capacité annoncée et capacité en service est resté énorme : la contrainte n'est pas la technologie. La question d'ingénierie intéressante de la décennie n'est pas comment atteindre 85 % de rendement, mais comment construire un empilement qui supporte d'être allumé et éteint au rythme du vent sans mourir.
Formules clés
| Tension réversible | \(E_{\text{rev}} = \dfrac{\Delta G}{nF} = 1.229\ \text{V}\) | |
|---|---|---|
| Thermoneutre | \(V_{tn} = \dfrac{\Delta H}{nF} = 1.481\ \text{V}\) | |
| Tension de cellule | \(V = E_{\text{rev}}+\eta_{\text{act}}+jR+\eta_{\text{conc}}\) | |
| Tafel | \(\eta_{\text{act}} = a+b\log j\) | le dégagement d'oxygène domine |
| Rendement (PCS) | \(\eta = \dfrac{1.481}{V}\) | en base PCI on utilise 1,253 |
| Production de Faraday | \(\dot m = \dfrac{IM}{2F}\) | |
| Coût actualisé | \(\mathrm{LCOH} = \dfrac{C\,\mathrm{CRF}}{8760\,\mathrm{CF}\,\dot m}+p_e\,\mathrm{SEC}\) | |
| Aller-retour | \(\eta_{el}\,\eta_{comp}\,\eta_{FC} \approx 0.35\) | |
Bon à savoir
- Les électrolyseurs PEM utilisent de l'iridium, dont le monde produit environ 7 tonnes par an, presque toutes comme sous-produit de l'extraction du platine. Réduire la charge par mégawatt est un vrai goulet d'étranglement pour le passage à l'échelle, pas un détail.
- L'hydrogène est un gaz à effet de serre indirect : il consomme les radicaux hydroxyles qui détruiraient sinon le méthane. Des estimations récentes situent son potentiel de réchauffement à cent ans près de 11, si bien que les taux de fuite comptent pour le climat, pas seulement pour les comptes.
- Un rendement aller-retour de 35 % paraît désespéré à côté des 90 % d'une batterie - jusqu'à ce qu'on remarque que le réservoir coûte quelques dollars par kilowattheure et la batterie une centaine. Pour un stock cyclé deux fois par an, le capital bat le rendement de loin.