Point de vue de Anne Falanga
Directeur du programme Nouvelles technologies de l’énergie au CEA :

La filière hydrogène et la pile à combustible

La croissance de la consommation énergétique, la sécurité d’approvisionnement et les risques environnementaux prennent une importance tout à fait particulière en ce début de XXIe siècle. La quantité de combustible fossile consommée pourrait presque doubler d’ici 2050, même si sa part relative diminue. Grâce au parc électronucléaire et hydraulique, le secteur de la production d’électricité est à la fois favorable à notre indépendance énergétique et émet peu de CO2. Les émissions de GES ont globalement diminué en France entre 1990 et 2001. Cependant, elles ont augmenté de 20 % dans le secteur des transports (dépendant presque exclusivement, en France comme dans le reste du monde, des carburants basés sur les hydrocarbures). Les émissions des secteurs des transports et du résidentiel tertiaire représentent aujourd’hui plus de 60 % des émissions nationales et sont en augmentation constante. Leurs impacts risquent à terme de compromettre les objectifs fixés par le protocole de Kyoto.

Ces secteurs devront être alimentés en énergie par un vecteur issu des trois grandes sources primaires d’énergie (fossile, nucléaire, renouvelables). L’hydrogène pourrait-il être l’un de ces vecteurs ?

L’hydrogène peut être utilisé directement (combustion classique) ou en utilisant un convertisseur électrochimique, la «pile à combustible» qui convertit avec un rendement élevé l’hydrogène en électricité et en chaleur. L’intérêt de l’hydrogène résulte d’une part de sa forte capacité énergétique (triple de celle des carburants classiques) et d’autre part de son caractère non polluant (le produit de sa combustion est l’eau). Cependant, de nombreux développements technologiques restent à faire pour amener cette nouvelle filière énergétique à des niveaux de coûts et de performances acceptables :

- Diminution des coûts de production en privilégiant les procédés émettant peu de gaz à effet de serre. L’hydrogène est produit aujourd’hui à partir du gaz naturel, avec un coût de revient triple de celui du gaz naturel et à partir d’un procédé de reformage qui émet du CO2. Plusieurs solutions alternatives sont envisagées : reformage du gaz naturel avec séquestration du CO2, gazéification de la biomasse, électrolyse avancée ou cycles thermochimiques de craquage de l’eau en utilisant l’électricité ou la chaleur produite par les réacteurs nucléaires à haute température.

- Conversion compétitive en énergie électrique par l’utilisation de piles à combustible. Le CEA concentre ses recherches sur deux technologies de piles à combustibles : les PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell), fonctionnant à basse température, et les SOFC, fonctionnant à haute température. Ces deux technologies qui utilisent des électrolytes solides (polymères ou céramiques) présentent des marges importantes de progrès à la fois sur les composants élémentaires (électrodes, membrane, plaque bipolaire) et sur les architectures des systèmes.

- Stockage-transport-distribution du gaz en toute sûreté. Le domaine d’inflammabilité dans l’air est plus large et l’énergie minimale d’inflammation plus faible pour l’hydrogène que pour le gaz naturel mais son coefficient de diffusion dans l’air est quatre fois plus élevé, ce qui permet à l’hydrogène de se disperser beaucoup plus vite. Le coût de la filière hydrogène sera largement déterminé par le coût de la distribution et du stockage où un effort de R&D particulier est nécessaire.

La mise en place d’une réglementation et de normes est en cours pour harmoniser aux niveaux européens et internationaux les nouvelles utilisations de l’hydrogène, non plus comme un produit chimique mais comme un combustible pour les transports, le stationnaire, les portables....

La transition de l’économie fossile vers une économie de l’hydrogène se fera graduellement par les transports publics et les véhicules utilitaires (flottes captives) puis progressivement par les véhicules particuliers si le coût des technologies associées est acceptable. Il en sera de même pour les applications stationnaires (cogénération électricité / chaleur) où les premières applications commerciales concerneront des marchés de niche (alimentation de secours avec très haute qualité de courant…). Cette transition a déjà commencé par des opérations de démonstration.
Parallèlement aux mises au point techniques, des études technico-économiques et environnementales doivent être menées sur l’ensemble du cycle (production, stockage-transport-distribution) jusqu’à l’utilisation finale en intégrant bien entendu, les aspects sûreté.