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====== hydrogène ====== ===== Définition ===== ==== Élément chimique ==== Élément chimique de symbole H, formé d’un proton et d’un électron, ou nom donné ordinairement au corps simple dont la molécule comporte deux atomes d’hydrogène (H₂). ==== Molécule ==== Nom couramment donné à la molécule formée de deux atomes d’hydrogène, le nom exact étant le dihydrogène (H₂), mais qui est aussi appelée « hydrogène moléculaire », ou « gaz-hydrogène ». **n. m.** (gr. //hudôr//, eau et //gennân//, engendrer). **Voir :** [[glossaire:entrees:a:atome|atome]], [[glossaire:entrees:d:dihydrogene|dihydrogène]], [[glossaire:entrees:e:electron|électron]], [[glossaire:entrees:e:element_chimique|élément chimique]], [[glossaire:entrees:p:particule_fine|particule fine]], [[glossaire:entrees:p:proton|proton]]. ===== Informations complémentaires ===== L'atome d'hydrogène est un constituant de nombreuses espèces chimiques, l’eau (H₂O), bien entendu, ou encore, les hydrocarbures et toutes les molécules organiques, où il est lié à des atomes de carbone, d’oxygène et d’azote. ==== Le proton ==== L'atome d’hydrogène qui a perdu son unique électron est qualifié de proton (en physique), ou d’ion hydrogène (H⁺), en chimie. C’est sous cette forme que l’hydrogène participe à de nombreuses réactions biochimiques, en particulier les réactions qui participent à l’énergétique cellulaire (respiration et photosynthèse). **Voir :** [[glossaire:entrees:a:azote|azote]], [[glossaire:entrees:c:carbone|carbone]], [[glossaire:entrees:e:espece_chimique|espèce chimique]], [[glossaire:entrees:i:ion|ion]], [[glossaire:entrees:o:oxygene|oxygène]], [[glossaire:entrees:p:photosynthese|photosynthèse]], [[glossaire:entrees:r:respiration|respiration]]. ==== Isotopes de l’hydrogène  ==== En général, un corps simple est formé de plusieurs isotopes qui ont des masses atomiques (A) différentes (en fonction du nombre de neutrons = N). Les isotopes d'un même élément chimique ont le même nombre de protons (numéro atomique Z identique). Pour l'hydrogène, l’isotope le plus fréquent a pour paramètre A = 1, puisque Z = 1 et N = 0, alors que le deutérium possède un neutron (N = 1), et donc A = 2. Il existe un autre isotope, le tritium, avec 2 neutrons, qui est radioactif. **Voir :** [[glossaire:entrees:i:isotope|isotope]]. **Fig. :** Représentations schématiques de l’hydrogène et de ses isotopes. {{h/image4.png?108x114}} ==== Sources de production de l’hydrogène ==== Le dihydrogène (état moléculaire) est relativement rare dans la nature. * dans l’atmosphère : sa teneur est infime : 0,510 ppm, c’est-à-dire 0,00005 % ; * dans la composition de différentes ressources naturelles et de déchets : eau (eau douce et eau de mer), déchets organiques, hydrocarbures, par exemple. **Voir :** [[glossaire:entrees:d:dechet|déchet]], [[glossaire:entrees:e:eau|eau]], [[glossaire:entrees:h:hydrocarbure|hydrocarbure]]. ==== Mode de production de l’hydrogène gazeux ==== La production passe par une décomposition moléculaire, réalisable selon différents procédés : électrolytique, thermique, biochimique. Toutefois, la production de H₂ nécessite de l’énergie ; il est donc fondamental que celle-ci vienne des énergies renouvelables (parcs éoliens, de barrages hydrauliques, de biomasse, de parcs photovoltaïques ou de géothermie). Voir ci-dessous la sous-rubrique « L’hydrogène vert ». **Voir :** [[glossaire:entrees:b:barrage|barrage]], [[glossaire:entrees:b:biomasse|biomasse]], [[glossaire:entrees:e:energie_renouvelable|énergie renouvelable]], [[glossaire:entrees:g:geothermie|géothermie]], [[glossaire:entrees:h:hydraulique|hydraulique]], [[glossaire:entrees:p:photovoltaique|photovoltaïque]], [[glossaire:entrees:r:ressource_naturelle|ressource naturelle]]. === L’hydrogène «gris» === L’hydrogène gris est fabriqué par procédés thermochimiques, à partir d'énergies fossiles (gaz naturel, pétrole). Sa production est source d’une grande quantité de GES. C’est en France, actuellement, à 95 %, le mode de production du dihydrogène. La production d’hydrogène à partir du gaz naturel est le « Vaporeformage ». Elle représente presque la moitié de la production d’hydrogène « gris ». La production se fait sous l’action de vapeur d’eau surchauffée. À la sortie du vaporéacteur, l’hydrogène est séparé du CO₂ qui peut être capturé. Des catalyseurs métalliques sont utilisés (nickel, fer, chrome, cuivre) pour faciliter les réactions. La gazéification du charbon pour produire de l’hydrogène ne se fait pratiquement plus. Elle nécessite de très hautes températures (1 200°C), et la présence d’air ou d’oxygène. **Voir :** [[glossaire:entrees:c:catalyseur|catalyseur]], [[glossaire:entrees:c:charbon|charbon]], [[glossaire:entrees:e:energie_fossile|énergie fossile]], [[glossaire:entrees:g:gaz_naturel|gaz naturel]]. === L’hydrogène «noir» === L’hydrogène noir est produit à partir du charbon gazéifié et, à ce titre, il est encore plus critiqué que le « gris » ! === L’hydrogène «bleu» === Il est fabriqué de la même façon que l'hydrogène gris, mais, afin de diminuer le bilan carbone, le CO₂, émis lors des combustions, est capté pour être réutilisé dans l'industrie ou être stocké dans des cavités. **Voir :** [[glossaire:entrees:c:charbon|charbon]], [[glossaire:entrees:d:dioxygene|dioxygène]], [[glossaire:entrees:e:energie_fossile|énergie fossile]], [[glossaire:entrees:g:gaz_naturel|gaz naturel]], [[glossaire:entrees:h:hydrocarbure|hydrocarbure]], [[glossaire:entrees:o:oxydo-reduction|oxydo-réduction]]. === L’hydrogène «vert» === L’hydrogène vert est fabriqué par électrolyse de l’eau à partir d’électricité provenant uniquement d’énergie renouvelable (éoliennes, panneaux solaires ou barrages hydroélectriques). Pour l’aspect énergétique on se reportera à l’entrée « hydrogène décarboné. Au cours de l'électrolyse, l’énergie électrique est transformée en énergie de décomposition moléculaire de l'eau, au cours d'une réaction d’oxydo-réduction qui produit du dihydrogène (H₂), du dioxygène (O₂) et de la chaleur. Pour que cette filière soit compétitive, il convient de mettre au point de nouvelles générations d’électrolyseurs ayant de meilleurs rendements. On consultera, ci-dessous, la rubrique « Remarque linguistique et/ou historique », elle nous dira ce qu’en pensait le romancier Jules Vernes ! On peut faire entrer dans la filière « verte », la production d’hydrogène par gazéification de la biomasse agricole. Le dihydrogène peut être aussi injectés dans le réseau de gaz naturel. Pour les premiers essais, l'apport en hydrogène est de 6 %, et pourra atteindre 20 à 30 %. La démarche est identique à celle adoptée pour les agrocarburants, pour lesquels l'huile (biodiesel) ou le bioéthanol produits par la filière agricole sont mélangés à du carburant d'origine fossile, dans un pourcentage limité. **Voir :** [[glossaire:entrees:a:agrocarburant|agrocarburant]], [[glossaire:entrees:b:biodiesel|biodiesel]], [[glossaire:entrees:b:bioethanol|bioéthanol]], [[glossaire:entrees:d:dioxygene|dioxygène]], [[glossaire:entrees:e:eolienne|éolienne]], [[glossaire:entrees:h:hydrogene_decarbone|hydrogène décarboné]], [[glossaire:entrees:o:oxydo-reduction|oxydo-réduction]], [[glossaire:entrees:p:photovoltaique|photovoltaïque]], [[glossaire:entrees:r:rendement|rendement]]. === L’hydrogène «jaune» === L’hydrogène jaune, plus spécifique à la France, est fabriqué par électrolyse comme l’hydrogène vert mais l’électricité provient essentiellement de l’énergie nucléaire. === L’hydrogène «blanc» ou « doré » === C’est l’hydrogène moléculaire déjà présent en l’état dans la nature qu’il faut extraire des strates géologiques. Des découvertes récentes montrent qu’il pourrait être en quantités importantes à grandes profondeurs. Il s’agit alors d’une source d’énergie primaire. Les autres formes d’hydrogène (voir ci-dessus) étant des formes d’énergies secondaires. L’origine de cet hydrogène « blanc » peut être multifactorielle. Cet hydrogène moléculaire pourrait être le résultat de la présence, à la fois de molécules d’eau et de minéraux comme le fer. Leur contact, génèrerait des réactions d’oxydation du minéral et de réduction de l’eau, aboutissant à la production d’hydrogène (H₂) et d’oxydes de fer. Les premières études laissent penser qu’il y aurait suffisamment d’hydrogène dans le monde pour approvisionner tous les projets d’énergie décarbonée. Toutefois, les technologies nécessaires pour son extraction dans des conditions qui soient rentables sont en développement. En outre, les investissements pour toutes les infrastructures nécessaires à sa distribution et son utilisation sont considérables. **Voir :** [[glossaire:entrees:e:energie_primaire|énergie primaire]], [[glossaire:entrees:e:energie_secondaire|énergie secondaire]], [[glossaire:entrees:o:oxydation|oxydation]], [[glossaire:entrees:r:reduction|réduction]]. === Produire de l’hydrogène à partir de l’eau de mer === La technologie actuelle de l’électrolyse nécessite de l’eau pure, or celle-ci est une ressource disponible en quantité faible, et les quantités d’hydrogène nécessaires pour répondre aux besoins énergétiques sont considérables. Il n’est donc pas concevable d’utiliser de l’eau pure. L’eau de mer est par contre abondante mais elle contient des ions chlorure (Cl^-) et ces ions négatifs peuvent corroder l’anode où l’oxygène doit être produit ; la production de l’hydrogène est donc diminuée et même bloquée. Mais aujourd’hui, une technique qui empêche l’eau de mer d’éroder le circuit a fait ses preuves expérimentalement. L’anode est entourée de différentes couches la protégeant des charges négatives (une des couches repousse les ions chlorure). L’anode ainsi protégée voit sa durée de vie passer de 12 heures à 1 000 heures. Il faut maintenant que la technique soit transférée au niveau industriel. Par contre, la désalinisation de l’eau de mer est une opération qui a un coût élevé qui s’ajoute à celui de l’électrolyse. Toutefois, en 2023, en France, un prototype teste en mer cette méthode (voir l’entrée « énergie éolienne »). **Voir :** [[glossaire:entrees:d:desalinisation|désalinisation]], [[glossaire:entrees:e:energie_eolienne|énergie éolienne]]. ==== Disponibilité et stockage ==== === Aspects techniques du stockage === Alors que l'électricité ne peut être stockée facilement, le dihydrogène (H₂) peut l'être, même si de nombreux problèmes technologiques doivent encore être résolus. Très léger (0,1 g/l), l’hydrogène est un gaz qui prend beaucoup de place à la pression atmosphérique. Un plein de 5 kg occupe 50 000 litres ! Pour être stocké, l’hydrogène doit donc être compressé, ou liquéfié ou encore stocké dans des matériaux par les liens chimiques ou physiques. La liquéfaction exige de maintenir le gaz à – 253 °C, avec une compression à 700 bars. Cette compression exige des réservoirs capables de tenir la pression et qui sont donc lourds. Deux autres voies sont prometteuses mais elles exigent la mise au point de nouveaux matériaux à haute capacité de stockage à la manière d’une éponge, puis de le relâcher en le chauffant. Seuls quelques prototypes existent. **Voir :** [[glossaire:entrees:b:bar|bar]], [[glossaire:entrees:p:pression_atmospherique|pression atmosphérique]]. === Interrogation sur les fuites éventuelles === Des chercheurs ont montré que lorsque l’hydrogène se retrouve dans l’atmosphère, il peut perturber l’équilibre des gaz à effet de serre, et notamment ralentir la dégradation du méthane, et donc avoir une influence indirecte sur le réchauffement climatique. Les fuites qui seront associées à la filière de production de l’hydrogène et à son utilisation, sont à surveiller et à évaluer pour éviter que les bénéfices climatiques ne soient pas inférieurs aux impacts négatifs sur le climat. Rien n’est simple ! === Disponibilité === Puisqu’il est possible de le stocker, il n'est pas nécessaire de produire l'hydrogène en continu contrairement aux éoliennes et aux installations solaires qui ne produisent pas d’électricité lorsqu’il n’y a, respectivement, pas de vent, et pas de soleil. En outre, lorsque les énergies éolienne et solaire produisent plus d’électricité que la quantité consommée et que le réseau est excédentaire, le surplus peut être utilisé pour dissocier l’eau grâce à un électrolyseur, afin de produire de l’hydrogène. Enfin, grâce à une pile à combustible, l’hydrogène stocké peut alors fournir un appoint énergétique dans les périodes d’arrêt du solaire et de l’éolien et/ou lorsque la demande d’électricité est plus forte et que le réseau est déficitaire. **Voir :** [[glossaire:entrees:e:energie|énergie]], [[glossaire:entrees:p:pile_a_combustible|pile à combustible]]. === Distribution de l’hydrogène === Le dihydrogène peut être injectés dans le réseau de gaz naturel. Pour les premiers essais, l'apport en hydrogène est de 6 %, et pourra atteindre 20 à 30 %. La démarche est identique à celle adoptée pour les agrocarburants, pour lesquels l'huile (biodiesel) ou le bioéthanol produits par la filière agricole sont mélangés à du carburant d'origine fossile, dans un pourcentage limité. **Voir :** [[glossaire:entrees:a:agrocarburant|agrocarburant]], [[glossaire:entrees:b:biodiesel|biodiesel]], [[glossaire:entrees:b:bioethanol|bioéthanol]]. ==== Utilisation de l’hydrogène dans des synthèses chimiques ==== Le dihydrogène est utilisé dans de nombreux procédés chimiques : * désulfurisation des combustibles fossiles : près de la moitié de la production de dihydrogène est utilisée dans l'industrie pétrolière pour désulfurer les combustibles fossiles. En effet, le soufre contenu dans ces derniers, se transforme en dioxyde de soufre (SO₂) lors de la combustion, or ce dernier est écotoxique (il contribue aux pluies acides) et il est fortement irritant pour les voies respiratoires. L'industrie de raffinage doit donc retirer le soufre des combustibles avant leur distribution * production d'engrais : une part importante de son utilisation est la fabrication d’ammoniac (NH₃), composant de base dans l’industrie des engrais. L'ammoniac est produit par la réaction de l'azote de l'air avec de l'hydrogène, à haute pression (200-400 bars) et température (450 °C) ; * production d'un gaz de synthèse : à partir de dioxyde de carbone (CO₂) produit par la filière sidérurgique et séquestré, l'hydrogène peut être utilisé pour produire du méthane (CH₄) de synthèse et utilisé dans le réseau. Certes, le carbone retourne ensuite à l'atmosphère, mais avec un bilan moins mauvais que s'il avait été rejeté directement dans l'atmosphère, puisqu'il a permis d'utiliser un surplus d'énergie renouvelable ; * production de méthanol. **Voir :** [[glossaire:entrees:a:ammoniac|ammoniac]], [[glossaire:entrees:a:atmosphere|atmosphère]], [[glossaire:entrees:a:azote|azote]], [[glossaire:entrees:b:bar|bar]], [[glossaire:entrees:c:carbone|carbone]], [[glossaire:entrees:c:combustible_fossile|combustible fossile]], [[glossaire:entrees:e:engrais|engrais]], [[glossaire:entrees:m:methane|méthane]], [[glossaire:entrees:m:methanol|méthanol]], [[glossaire:entrees:n:nature|nature]], [[glossaire:entrees:p:petrole|pétrole]], [[glossaire:entrees:p:pluie_acide|pluie acide]], [[glossaire:entrees:s:soufre|soufre]]. ==== Production d’électricité par les piles à hydrogène ==== L’hydrogène peut être utilisé pour produire de l’électricité par : * combustion : la réaction d'oxydo-réduction se fait au sein d’une pile à combustible ; * par sa décomposition en protons et électrons : la coupure (lyse) de la molécule d’hydrogène (H₂) se fait grâce à une enzyme d’origine bactérienne. Il n’y a pas de combustion. Les électrons alimentent le circuit électrique. Les premiers résultats montrent que le système permet d’utiliser l’hydrogène présent l’atmosphère, c’est-à-dire à une très faible teneur. Le procédé n’en est qu’au tout début de son développement et doit encore prouver son efficacité ! **Voir :** [[glossaire:entrees:p:pile_a_hydrogene|pile à hydrogène]]. ===== Réflexion pédagogique ===== Il est très intéressant de comparer la production d’hydrogène (H₂) et d’oxygène (O₂) par électrolyse, à la conversion énergétique que réalise la photolyse de l’eau au cours de la photosynthèse, avec un découpage de la molécule d’eau, en électrons, protons et dioxygène et, en fin de photosynthèse, la production de molécules organiques riches en énergie. **Voir :** [[glossaire:entrees:m:molecule_organique|molécule organique]], [[glossaire:entrees:p:photolyse|photolyse]], [[glossaire:entrees:p:photosynthese|photosynthèse]]. ===== Remarque linguistique et/ou historique ===== Jules Vernes dans « «L'île mystérieuse” paru en 1875, cinq personnages sont échoués sur une île inconnue, l’ingénieur Cyrus Smith dit : “Oui mes amis, je crois que l’eau sera un jour employée comme combustible, que l’hydrogène et l’oxygène, qui la constituent, utilisés isolément ou simultanément, fourniront une source de chaleur et de lumière inépuisables et d’une intensité que la houille ne saurait voir”. J. Vernes est sidérant ! On se reportera à la rubrique « Remarque linguistique et/ou historique » de l’entrée « Plancher océanique » où se trouve une citation prise dans « Vingt mille lieues sous les mers », paru en 1870, du même J. Vernes.