L'HYDROGÈNE

UN CARBURANT VERT

POUR UN NOUVEAU MILLÉNAIRE

par Raynald Pepin

Daniel Cossement, professionnel, et Monique Bélanger, technicienne, préparent les cylindres pour le stockage du gaz par adsorption. On remarque, à l'avant-plan, les pastilles de charbon activé qui seront insérées dans le cylindre.

Fiche technique : gaz transparent, inodore, insipide. Atome le plus petit de tous les éléments, qui ne comporte qu'un proton et un électron. Constituant de l'eau, des hydrocarbures et de toutes les molécules organiques. Source d'énergie du Soleil. Et l'objet d'intenses recherches à l'Institut de recherche sur l'hydrogène de l'Université du Québec à Trois-Rivières.

L'hydrogène est si léger que, libéré dans l'atmosphère, il s'élève dans l'air et Þnit par diffuser dans l'espace. D'ailleurs, on l'a utilisé pour la sustentation de plusieurs dirigeables, dont le célèbre Hindenburg. Vous savez, le dirigeable qui a brûlé à New York en 1937 ?

Et l'on voudrait nous faire utiliser ce gaz-là ? C'est pourtant l'espoir de Tapan K. Bose et de ses collègues de l'Institut de recherche sur l'hydrogène de l'Université du Québec à Trois-Rivières qui étudient le stockage, le transport, l'usage et la sécurité de l'hydrogène. Ma foi, ils sont assez convaincants.

Un gaz pas si nouveau que ça

L'Institut occupe un bâtiment moderne de deux étages au centre du campus de l'UQTR. Et il occupe aussi... une quarantaine de chercheurs. Les recherches sont menées en collaboration avec de nombreux organismes gouvernementaux, entreprises et universités, comme Gaz Métropolitain, Hydro-Québec, Tektrend (Montréal), etc.

Tapan K. Bose,
directeur de l'Institut de recherche sur l'hydrogène.

"Réglons tout de suite la question du Hindenburg, dit Tapan K. Bose, directeur de l'Institut. S'il a brûlé, c'est parce que ses concepteurs avaient fait une grosse erreur : le matériau de l'enveloppe était combustible. Une décharge due à l'électricité statique a enflammé l'enveloppe. L'hydrogène a alimenté le feu, mais n'était pas la cause première de la catastrophe." Selon un expert américain, le Hindenburg aurait brûlé, même s'il avait contenu de l'hélium, un gaz inerte.

Comme le gaz naturel, composé surtout de méthane (de formule CH4) en chimie, et le propane (C3H8), l'hydrogène (H2) est un gaz inflammable. Il sert d'ailleurs de combustible depuis plus d'un siècle. Au 19e siècle et dans la première moitié du 20e siècle, on utilisait pour l'éclairage et le chauffage le "gaz de houille", obtenu à partir du charbon et contenant environ 50 % d'hydrogène et 25 % de méthane. Aujourd'hui, sous forme liquéÞée, l'hydrogène propulse la navette spatiale et la plupart des fusées. Mais il est surtout employé dans l'industrie chimique pour le rafÞnement du pétrole, dans le traitement d'aliments (les huiles végétales partiellement hydrogénées, ça vous dit quelque chose ?) ou pour fabriquer de l'ammoniac utilisé ensuite dans la synthèse d'engrais.

De plus en plus de recherches et d'essais visent aussi à utiliser l'hydrogène comme combustible pour le transport, taxis de Vancouver, fonctionnent déjà au gaz naturel, mentionne Tapan Bose. L'utilisation d'hydrogène dans un moteur à combustion interne ne nécessiterait pas de grandes modiÞcations."

On peut utiliser l'hydrogène comme source d'énergie de deux façons : en le brûlant dans un moteur à combustion interne ou une génératrice, ou en le décomposant dans une pile à combustible pour produire de l'électricité. Par exemple, la compagnie Ballard, de Vancouver, produit des autobus expérimentaux électriques munis de piles à combustible fonctionnant à l'hydrogène, dont trois sont à l'essai à Chicago et trois autres à Vancouver. Les produits de réaction d'une pile à combustible sont l'eau et l'électricité. La combustion de l'hydrogène dans un moteur à combustion interne génère de l'eau et des oxydes d'azote, mais pas de gaz carbonique, la cause principale de l'effet de serre.

"Actuellement, on stocke l'hydrogène dans des réservoirs spéciaux, sous haute pression ou sous forme liquide, explique le physicien. Pour les autobus Ballard, des réservoirs placés sur le toit stockent l'hydrogène gazeux sous une pression de 200 atmosphères" (une atmosphère est égale à la pression de l'air au niveau de la mer).

Le hic, c'est le stockage de l'hydrogène. L'hydrogène fournit moins d'énergie que l'essence, à volume égal, mais trois fois plus à poids égal. Même liquide ou sous haute pression, il est moins dense que l'essence, donc l'autonomie des véhicules reste limitée, à moins d'installer de gros réservoirs. Il faut par ailleurs produire cet hydrogène, préférablement à partir de sources d'énergie renouvelables. Actuellement, on produit l'hydrogène, surtout à partir de gaz naturel, ce qui demande un peu d'énergie.

Une voie envisagée, mais encore loin d'être applicable, est de "reformer" du pétrole ou du méthanol dans le véhicule lui-même. "Le reformage produirait de l'hydrogène qui serait consommé par une pile à combustible", souligne le chercheur. Pourquoi ce détour, si c'est pour polluer encore avec du pétrole ? "Globalement, poursuit-il, un véhicule avec pile à combustible émettrait moins d'oxydes d'azote et de particules et la qualité de l'air s'améliorerait. L'avantage de cette voie, c'est que nous n'aurions pas à développer toute une nouvelle infrastructure pour le transport et le stockage de l'hydrogène."

L'hydrogène en conserve

De nombreuses recherches menées à l'Institut portent sur le stockage de l'hydrogène et du gaz naturel. En effet, stocker l'hydrogène sous haute pression est la solution la plus simple, mais nécessite des réservoirs lourds, encombrants et coûteux. Les chercheurs de l'UQTR tentent de contourner ces difÞcultés en liant l'hydrogène au matériau du réservoir, ce qui aurait aussi l'avantage de rendre le stockage plus sécuritaire. Deux voies sont étudiées depuis plusieurs années : le stockage par hydrures métalliques ou par adsorption dans du charbon activé.

Façade de l'édifice principal de l'Institut de recherche sur l'hydrogène sur le campus de l'Université du Québec à Trois-Rivières. L'édifice a une superficie totale de 1 600 m2, sur deux étages. Un centre d'essai de 285 m2 est annexé à l'édifice.

Dans le stockage par hydrures, étudié par l'équipe du professeur Jacques Goyette, le réservoir est rempli d'un alliage cristallin, dont le constituant principal est le magnésium. Sous une pression de quelques atmosphères, on injecte l'hydrogène, qui circule et diffuse dans la poudre d'alliage jusqu'à ce que les atomes d'hydrogène se lient avec ceux du métal. Le procédé présente quelques désavantages non négligeables. Le matériel de stockage étant un métal, cela donne un réservoir assez lourd. Ce n'est pas un inconvénient pour une utilisation fixe, mais ça le devient pour un véhicule. C'est pourquoi les recherches qui ont cours à l'UQTR portent sur les alliages de magnésium, un métal léger. De plus, le métal se dégrade après des centaines de cycles, car, à chaque absorption d'hydrogène, le cristal se déforme. Enfin, la température d'absorption optimale tourne actuellement autour de 180°C. Et pour libérer l'hydrogène, il faut chauffer le réservoir encore un peu plus, ce qui a tout de même l'avantage d'éliminer les risques de fuite.

Le "plaisir" de la recherche-développement, c'est de tenter de régler ces problèmes. "Par exemple, une station-service pourrait chauffer le gaz avant de le mettre dans le réservoir pour augmenter l'absorption, imagine Tapan Bose. Mais notre principal objectif, c'est d'arriver à diminuer notablement les températures d'absorption et de désorption. Dans ce projet, nous sommes alliés à l'Institut de recherche d'Hydro-Québec (IREQ), qui s'occupe de mettre au point de nouveaux matériaux. Ici, on teste les matériaux sur des milliers de cycles à l'aide d'un appareillage automatisé que nous avons développé conjointement avec l'IREQ. Nous déterminons la quantité d'hydrogène absorbée et étudions aux rayons X comment le métal s'est modifié. Notre objectif est d'arriver à stocker une quantité d'hydrogène équivalant à environ 6 % du poids du métal. Ainsi, un réservoir renfermant 75 kilos de poudre contiendrait 4,5 kilos d'hydrogène, ce qui équivaut à l'énergie contenue dans 17 litres d'essence.

Le stockage par adsorption, étudié par Richard Chahine, se fait dans des réservoirs remplis de charbon activé, un matériau microporeux. Injectées sous pression, les molécules de gaz se lient à la surface interne des micropores et atteignent ainsi une densité plus grande que sous forme gazeuse. Pour les récupérer, il suffit d'ouvrir la valve du réservoir : le gaz diffuse vers le milieu où la pression est plus faible. "Ce procédé fonctionne très bien avec le gaz naturel, signale M. Bose, puisque, à une pression de seulement 35 atmosphères, nous arrivons à stocker 75 % du gaz qui serait emmagasiné à 200 atmosphères sans charbon activé. Cette pression plus faible permet l'utilisation de petits compresseurs et de réservoirs beaucoup moins lourds. Nous allons bientôt tester cette technologie en contexte réel, dans une auto, avec Gaz Métropolitain."

Pour l'hydrogène, le procédé présente un problème : à température ambiante, la quantité stockée est trop faible. "Par contre, sous 17 atmosphères et à ­196°C (température de l'azote liquide), on arrive à stocker une quantité d'hydrogène qui équivaut à 40 % du même volume d'hydrogène liquide. On pourrait probablement utiliser des réservoirs refroidis à l'azote liquide, qui est facile à produire."

Les piles à combustible

La seconde façon d'utiliser l'hydrogène, c'est en lui soutirant son énergie dans une pile à combustible qui produit de l'électricité. Dans une telle pile, une membrane poreuse sépare deux régions, dont l'une contient de l'hydrogène gazeux et l'autre de l'air. Chaque région comporte aussi une électrode imprégnée de platine. "Au contact du platine, l'hydrogène se dissocie et les électrons laissés sur l'électrode migrent dans le circuit entre les deux électrodes, engendrant un courant électrique", explique Tapan Bose. Ce sont de telles piles, beaucoup moins lourdes que des batteries, qui produisent l'électricité dans la navette spatiale.

Alain Tessier, professionnel, devant le banc d'essai pour pile à combustible. À l'avant-plan, on peut voir une pile à combustible et à l'arrière-plan une partie de l'électrolyseur pour la production d'hydrogène.

Les protons abandonnés par les électrons passent à travers la membrane perméable et réagissent avec l'oxygène de l'air, produisant de l'eau (dans la navette, cette eau est consommée par les astronautes). "L'avantage de ce système, c'est qu'environ 45 % de l'énergie chimique contenue dans l'hydrogène est convertie en électricité, ce qui est un excellent rendement, rapporte le directeur de l'Institut. À titre de comparaison, le rendement d'un moteur à combustion interne ne dépasse pas 25 %." Un tel rendement compense l'énergie nécessitée par la production de l'hydrogène. En plus de l'électricité, la pile à combustible dégage de la chaleur, jusqu'à 35 % de l'énergie initiale, qui peut être utilisée pour le chauffage.

Dans un véhicule, l'électricité générée servirait à actionner un moteur électrique. C'est ainsi que fonctionnent les autobus Ballard. Mais Tapan Bose voit dans les piles à hydrogène plus qu'une source d'électricité pour les véhicules. "Elles pourraient servir de générateurs d'appoint, beaucoup moins polluants que des génératrices diesel. Mais, surtout, elles permettent d'envisager l'hydrogène comme moyen de stockage d'énergie. Prenez un endroit isolé, poursuit-il, non desservi par des lignes électriques, où l'électricité est produite par éolienne quand il y a du vent ou par une petite centrale thermique quand l'air est calme. On pourrait obtenir de l'hydrogène par électrolyse, à partir de l'eau, en utilisant l'énergie excédentaire produite quand il y a du vent. Quand il n'y a pas de vent, l'hydrogène stocké servirait à produire de l'électricité, avec des piles à combustible. Tout ça sans pollution ou presque !" Un tel système serait aussi utile à plusieurs pays en développement. Encore mieux, Tapan Bose rêve à un monde où, plutôt que les combustibles fossiles, les sources d'énergie importantes seraient l'hydrogène et l'électricité obtenus à partir d'éoliennes, de piles solaires, de centrales hydroélectriques et, éventuellement, de centrales nucléaires. Utopie ?

Les chercheurs de l'UQTR ne travaillent pas à la mise au point de piles à combustible. Cependant, ils ont constitué un centre d'essai pour tester les piles conçues par d'autres partenaires : ils mesurent le courant, la tension et la chaleur produites par les piles. "Il fallait un endroit neutre pour comparer les diverses piles", commente Tapan Bose.

Pour le moment, les chercheurs obtiennent leur hydrogène par électrolyse de l'eau effectuée avec l'électricité du réseau électrique, en simulant la production irrégulière d'une source renouvelable. "Éventuellement, on aimerait disposer d'une éolienne", souhaite le directeur de l'Institut. On vise à mettre au point un système de contrôle pour produire de façon automatique l'hydrogène et l'électricité.

Un autre projet mené à Trois-Rivières porte sur la liquéfaction de l'hydrogène par réfrigération magnétique. "La grande industrie liquéfie déjà l'hydrogène par une série de cycles de compression, de refroidissement et d'expansion rapide, rapporte Tapan Bose, mais les installations nécessaires sont considérables. On aimerait mettre au point un système plus modeste. Cela permettrait, par exemple, à un utilisateur de recevoir de l'hydrogène gazeux par gazoduc et de le liquéfier sur place."

La réfrigération magnétique consiste à confiner l'hydrogène dans une enceinte formée de matériaux ferromagnétiques, qui ont des propriétés magnétiques similaires à celles du fer. Chaque atome se comporte comme un aimant minuscule. En appliquant un champ magnétique élevé, les atomes s'alignent, ce qui fait augmenter la température. On évacue la chaleur, on supprime le champ, les atomes se désalignent et la température chute. Les champs magnétiques nécessaires sont élevés, environ 100 000 fois supérieurs au champ magnétique terrestre ; on les obtient au moyen d'un aimant supraconducteur.

"Pour liquéfier l'hydrogène, on le refroidira à ­196°C au moyen d'azote liquide, puis on l'amènera de ­196°C à sa propre température de liquéfaction, soit ­ 253°C, par réfrigération magnétique, explique le chercheur. Il faut baisser la température en cascade au moyen de plusieurs matériaux ferromagnétiques, chacun se comportant de façon optimale dans une gamme de température donnée. La recherche sur les matériaux est terminée, nous passons maintenant à la mise au point d'un liquéfacteur comme tel."

Outre ces projets, les chercheurs trifluviens en mènent plusieurs autres portant sur la sécurité d'utilisation des gaz. Ils étudient, notamment, l'utilisation d'ultrasons pour le contrôle de la qualité et la détection des défauts des réservoirs haute pression. Pierre Bénard analyse par simulation la propagation de flammes d'hydrogène.

Tapan Bose a aussi participé à la rédaction d'un livre sur l'utilisation sécuritaire de l'hydrogène, livre parrainé par la National Hydrogen Association des États-Unis et l'Association canadienne de l'hydrogène. Les laboratoires de l'Institut sont d'ailleurs bien protégés : s'il y avait une fuite et si la concentration d'hydrogène dans l'air atteignait 2 %, des détecteurs sonneraient l'alarme et des ventilateurs se mettraient en marche. À 3 %, l'électricité serait coupée. L'hydrogène ne peut en effet s'enflammer que si sa concentration dans l'air dépasse 4 %.

Le directeur de l'Institut ne s'attend pas à ce que les technologies basées sur l'hydrogène se généralisent avant une vingtaine d'années. "Mais c'est tout de suite qu'il faut élargir les recherches et développer nos compétences." Pour le moment, l'utilisation de l'hydrogène reste plusieurs fois plus coûteuse que celle du pétrole. "Ces coûts diminueront avec les progrès technologiques, assure M. Bose. Mais, même si l'hydrogène demeure plus cher que le pétrole, il n'y a pas que ce coût à considérer. Il faut aussi tenir compte des pertes pour la société liées à l'utilisation du pétrole, comme les maladies respiratoires et la dégradation des matériaux causée par les pluies acides...", conclut-il.  

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