L’hydrogène est l’élément chimique le plus simple : son noyau se compose d’un unique proton et son atome ne compte qu’un électron. La molécule de dihydrogène (H2) est constituée de deux atomes d’hydrogène.
On parle communément d’hydrogène pour désigner en fait le dihydrogène.

La combustion d’1 kg d’hydrogène libère presque 4 fois plus d’énergie que celle d’1 kg d’essence et ne produit que de l’eau :

2H2 + O2 -> 2H2O

L’hydrogène est très abondant à la surface de la Terre mais n’existe pas à l’état pur. Il est toujours lié à d’autres éléments chimiques, dans des molécules comme l’eau, les hydrocarbures. Les organismes vivants (animal ou végétal) sont également composés d’hydrogène.
La biomasse constitue donc une autre source potentielle d’hydrogène.

Extraire l’hydrogène de ces ressources primaires que sont les hydrocarbures, la biomasse ou encore l’eau nécessite un apport en énergie.
L’hydrogène pourrait être quasi-inépuisable, à condition de savoir le produire en quantité suffisante à un coût compétitif et à partir d’énergie bas carbone (nucléaire

Fonctionnement d'une centrale nuléaire

Les composants d'une centrale nucléaire. Les principaux composants d'une centrale nucléaire : Réacteur Nucléaire :

et renouvelables).
On appelle « technologies de l’hydrogène » l’ensemble des technologies étudiées pour produire l’hydrogène, le stocker et le convertir à des fins énergétiques.

Il existe plusieurs moyens actuels de produire de l'hydrogène, chacun ayant ses propres avantages et inconvénients en termes de coût, d'efficacité énergétique, d'impact environnemental :

Électrolyse de l'eau :
L'électrolyse de l'eau est un processus qui utilise l'électricité pour décomposer l'eau (H2O) en hydrogène (H2) et en oxygène (O2). Il existe deux principaux types d'électrolyse : l'électrolyse alcaline et l'électrolyse à membrane échangeuse de protons (PEM). L'électrolyse de l'eau peut être alimentée par de l'électricité provenant de sources renouvelables telles que l'énergie solaire ou éolienne, ce qui en fait une méthode de production d'hydrogène respectueuse de l'environnement.

Vaporéformage du méthane :
Le vaporéformage du méthane est un processus chimique qui utilise du méthane (CH4), généralement sous forme de gaz naturel, pour produire de l'hydrogène et du dioxyde de carbone (CO2). Ce processus est couramment utilisé à grande échelle dans l'industrie chimique pour produire de l'hydrogène. Cependant, il émet également du CO2, ce qui en fait une méthode de production d'hydrogène moins respectueuse de l'environnement par rapport à l'électrolyse de l'eau.

Gazéification de la biomasse :
La gazéification de la biomasse est un processus qui convertit la matière organique en gaz de synthèse, qui peut ensuite être transformé en hydrogène. Cette méthode utilise des déchets agricoles, forestiers ou urbains comme matière première, offrant ainsi la possibilité de produire de l'hydrogène à partir de sources renouvelables et durables.

Pyrolyse de l'eau :
La pyrolyse de l'eau est un processus thermochimique qui utilise la chaleur pour décomposer l'eau en hydrogène et en oxygène. Bien que cette méthode puisse être efficace en termes de rendement énergétique, elle nécessite des températures élevées et des conditions spécifiques, ce qui peut rendre sa mise en œuvre plus complexe.

Photoélectrolyse solaire :
La photoélectrolyse solaire est une méthode de production d'hydrogène qui utilise des cellules solaires pour convertir la lumière solaire en électricité, qui est ensuite utilisée pour alimenter le processus d'électrolyse de l'eau. Cette méthode utilise l'énergie solaire comme source d'électricité renouvelable, mais elle peut être limitée par l'efficacité des cellules solaires et les coûts associés.

Le stockage de l'hydrogène est un domaine de recherche et de développement actif en raison de son potentiel en tant que vecteur énergétique propre et polyvalent. Voici quelques-uns des moyens actuels de stocker de l'hydrogène :

Compression gazeuse :
L'hydrogène peut être stocké sous forme gazeuse comprimée à haute pression dans des réservoirs cylindriques renforcés. Les réservoirs de stockage haute pression peuvent être fabriqués en acier ou en matériaux composites pour résister aux pressions élevées. Cependant, la compression de l'hydrogène à des pressions élevées nécessite une infrastructure spécifique et peut entraîner des pertes d'énergie.

Liquéfaction :
L'hydrogène peut être refroidi et liquéfié à des températures très basses (inférieures à -253 degrés Celsius) pour un stockage à haute densité énergétique. Le stockage sous forme liquide permet de réduire le volume occupé par l'hydrogène, mais nécessite des équipements de refroidissement coûteux et des pertes d'énergie importantes lors du processus de liquéfaction.

Adsorption sur des matériaux solides :
L'hydrogène peut être adsorbé sur des matériaux solides à structure poreuse, tels que des charbons activés, des zéolithes, des métaux organiques poreux (MOFs) ou des matériaux hybrides organiques-inorganiques. Ces matériaux ont une grande surface spécifique et peuvent adsorber l'hydrogène à des pressions modérées et des températures ambiantes. Cependant, l'adsorption d'hydrogène peut être réversible mais nécessite des pressions élevées pour la désorption.

Stockage chimique :
L'hydrogène peut être stocké sous forme de composés chimiques qui le libèrent lorsqu'ils sont décomposés. Par exemple, l'hydrogène peut être stocké sous forme d'hydrures métalliques ou de composés organiques tels que les hydrures organiques. La libération de l'hydrogène peut être déclenchée par chauffage, catalyse ou d'autres méthodes. Cependant, les systèmes de stockage chimique peuvent avoir des exigences spécifiques en termes de température, de pression et de régénération des matériaux.

Stockage souterrain :
L'hydrogène peut être stocké sous terre dans des formations géologiques appropriées telles que des aquifères salins, des cavités naturelles ou des réservoirs poreux. Le stockage souterrain offre une grande capacité de stockage et peut réduire les risques liés à la sécurité et à l'infrastructure. Cependant, cela nécessite des sites géologiques appropriés et des techniques de stockage sûres et fiables.

L'hydrogène présente un large éventail d'applications potentielles dans divers secteurs en raison de ses caractéristiques uniques, notamment sa polyvalence, sa propreté lorsqu'il est produit à partir de sources d'énergie renouvelables, et son potentiel à réduire les émissions de gaz à effet de serre. Voici quelques-unes des applications potentielles de l'hydrogène :

Mobilité propre :
Les véhicules à hydrogène, tels que les voitures, les bus, les camions et les trains à pile à combustible

Piles à combustible PEMFC

Les PEMFC utilisent une membrane polymère. Les différents types de piles à combustible Piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC) :

, offrent une alternative propre aux véhicules à moteur à combustion interne. Ils produisent de l'électricité en combinant de l'hydrogène avec de l'oxygène de l'air, ne générant que de l'eau et de la chaleur comme sous-produits, ce qui réduit les émissions de polluants atmosphériques et de gaz à effet de serre.

Stockage d'énergie :
L'hydrogène peut être utilisé comme moyen de stockage d'énergie à grande échelle, notamment pour stocker l'énergie produite par des sources renouvelables intermittentes telles que l'énergie solaire et éolienne. L'électricité excédentaire peut être utilisée pour produire de l'hydrogène par électrolyse de l'eau, puis stockée pour une utilisation ultérieure sous forme de carburant ou de source d'énergie.

Production industrielle :
L'hydrogène est largement utilisé dans l'industrie chimique pour la production d'ammoniac, utilisé dans la fabrication d'engrais, ainsi que dans la production de divers produits chimiques, notamment le méthanol, l'hydrogène chloré et l'hydrocarbure. Il peut également être utilisé comme agent de réduction dans la production d'acier et d'autres métaux.

Production d'électricité :
Les piles à combustible à hydrogène peuvent être utilisées pour produire de l'électricité de manière propre et efficace, tant pour les applications stationnaires que mobiles. Elles sont utilisées dans les bâtiments commerciaux et résidentiels comme source d'électricité de secours ou comme source principale d'alimentation. Elles peuvent également être utilisées pour fournir de l'électricité aux réseaux électriques pendant les périodes de pointe de demande.

Chauffage résidentiel et commercial :
L'hydrogène peut être utilisé comme combustible pour le chauffage résidentiel et commercial, en remplacement du gaz naturel ou du fioul. Des chaudières à hydrogène sont en cours de développement et pourraient offrir une alternative à faible émission de carbone pour le chauffage des bâtiments.

Applications spatiales :
Dans l'industrie spatiale, l'hydrogène est utilisé comme carburant pour propulser les lanceurs spatiaux, en particulier dans les étages supérieurs des fusées. L'hydrogène liquide est souvent utilisé comme propergol en raison de sa densité énergétique élevée et de sa combustion propre.