Le dihydrogène gazeux est dans les conditions usuelles de T° et de P° est un gaz incolore et inodore. Le paramètre essentiel pour l’étude de ses propriétés physiques est la très faible masse de la molécule H2, la plus petite connue. Il en résulte une faible densité pour H2 (solide, liquide ou gaz) et une très grande vitesse de translation des molécules à l’état gazeux.
Le dihydrogène possède une bonne conductibilité calorifique, une grande facilité de diffusion et d’effusion (l’effusion concerne le passage à travers un petit trou percé d’une paroi mince). L’état de gaz presque parfait de H2 (g) est en relation avec les températures de fusion et de liquéfaction basses. Il est utilisé et transporté depuis longtemps.
Les réservoirs H2 gazeux
Les réservoirs H2 sont généralement en matière composite. La structure des réservoir en composite (résine + liner) permet une grande stabilité à l’exposition aux flammes. Leurs résistances est bonne et la conductibilité de la chaleur est moins rapide et importante qu’avec l’acier. Les pressions de stockage et d’emport de l’hydrogène gazeux sont de 350 bars et 700 bars.
Les essais réalisés avec l’hydrogène
Les essais réalisés pour appréhender le danger et les risques avec l’hydrogène
Présentation des effets du frottement de deux silex dace à une concentration H2
Comportement au feu d’un réservoir H2 de 200 litres à 150 bars dépourvu de fusible de sécurité
Comportement au feu d’un réservoir H2 de 37 litres à 700 bars muni du TPRD (fusible de sécurité)
L’atome est la molécule
L’hydrogène, de symbole H, est le plus léger des éléments car son atome possède la structure la plus simple qui soit : un noyau constitué d’un unique proton, chargé positivement autour duquel gravite un seul électron chargé négativement.
Présent dès l’origine de l’Univers, il est l’ancêtre de tous les éléments, car ses noyaux ont fusionné pour donner des noyaux plus lourds et plus complexes. Sur Terre, l’hydrogène ne se trouve pratiquement pas à l’état atomique car ses atomes chimiquement très actifs sont toujours liés à ceux d’autres éléments au sein d’innombrables molécules dont la plus courante est celle de l’eau.
Il est néanmoins possible de l’isoler pour obtenir de l’hydrogène moléculaire pur sous forme d’un gaz dont les molécules réunissent deux atomes, d’où sa formule chimique H2. Cette simplicité de structure fait que l’hydrogène est le plus léger des gaz, sa densité est quatorze fois plus faible que celle de l’air. Comme tous les gaz il se liquéfie lorsqu’on le refroidit, mais à très basse température, -253°C à la pression atmosphérique, et il devient solide à -2S9°C.
Grande énergie mais faible densité
La combinaison de l’hydrogène ave l’oxygène – réaction de combustion – Produit de l’eau et libère de la chaleur. Dans l’air, il brûle avec une flamme peu visible à la température de 2 300°C sans qu’il y ait formation de dérivés carbonés et soufrés comme c’est : le cas avec les combustibles habituels. De faibles quantités d’oxydes d’azote (NOx) si la combustion à lieu à haute température ce qui se produit lorsque la proportion d’hydrogène dans l’ère dépasse de 50 % stœchiométrie. Il faut ajouter qu’ayant une combustion vive, l’hydrogène peut également être utilisé comme un carburant. L’hydrogène a un contenu énergétique particulièrement élevé. Sa combustion libère une énergie de 120 Méga joutes par kilo (33, 3 kWh/kg), sans compter les 20 MJ/kg contenus dans la vapeur d’eau résiduelle. Pour obtenir le même chiffre il faut rait brûler 2.,5 kg de gaz naturel ou 2,7S kg d’essence ou encore plus de 4 kg de charbon. Si l’hydrogène contient une énergie élevée par unité de masse ce n’est plus le cas par unité de volume puisqu’il est très peu dense. Ainsi sa masse volumique â température et pression ambiantes est huit fois plus faible que celle du gaz naturel. Il faut donc, pour disposer de la même quantité d’énergie, bruler un volume d’hydrogène environ deux fois et demi-plus grand. De même, l’équivalent énergétique d’un litre d’hydrogène liquide correspond à celui de seulement 0,27 litre d’essence. La conséquence est que l’hydrogène exige pour son stockage de disposer de grands volumes e qui pose problème pour les applications l’utilisant, un point examiné plus loin dans la partie traitant des véhicules à hydrogène.
L’hydrogène carburant du XXIème siècle
Quel que soit son origine, l’énergie primaire dois rejoindre l’utilisateur grâce un vecteur qui valorise au mieux l’échelle énergétique, en minimise les effets négatifs, tout en ayant un domaine d’emploi étendu. L’hydrogène peut être ce vecteur, car sa production, abordé dans ce qui suit est adaptée à une bonne exploitation des ressources énergétiques primaires renouvelables. De plus, il est stockable et, après transport jusqu’au lieu d’utilisation finale, sa recombinaison avec l’oxygène de l’air restitue sans aucune pollution l’énergie qui a servi à le produire. Sous sa forme gazeuse habituelle l’hydrogène et « moléculaire ». Il est formé par la réunion de deux atomes H et donc un pour symbole H2. Sa combustion, c’est-à-dire sa combinaison avec l’oxygène, est vive et produit beaucoup de chaleur par unité de masse avec pour seul résidu de l’eau. Il de ce fait à la fois un combustible et un carburant de qualité pouvant fournir de la chaleur de l’énergie mécanique, et ce, sans émettre de substances polluantes ni de gaz à effet de serre. Il a une autre propriété particulièrement intéressante : celle de pouvoir, dans une pile à combustible, se combiner à l’oxygène en produisant de l’électricité avec là encore, pour seul résidu de l’eau.
Production de l’hydrogène par l’électrolyse de l’eau
L’hydrogène c’est :
Un carburant sans carbone
Un vecteur d’énergie propre et stockable pour une meilleure utilisation des ressources naturelles
