Grand oral l'hydrogène comme vecteur énergétique et industriel

« Introduction Bonjour Mesdames et Messieurs. J'ai choisi de vous présenter aujourd'hui un sujet au cœur des enjeux de la transition énergétique : l'hydrogène comme vecteur énergétique et industriel.L’hydrogène est l’élément le plus léger, le plus simple et le plus abondant de l’univers.

Pourtant, il pourrait bien être la clé d’un avenir plus durable sur Terre.

Constitué d'un seul proton et d'un électron, il représente 75% de la masse de l'univers. Sur Terre, il est principalement présent dans l'eau et dans les hydrocarbures.

Si ce gaz est connu depuis longtemps pour ses applications industrielles traditionnelles, il suscite aujourd'hui un intérêt croissant dans le contexte de la transition énergétique.

Mais pourquoi ce gaz suscite-t-il autant d’intérêt ? Cette question m’ammène à la problématique suivante : Comment l'hydrogène, grâce à ses propriétés chimiques, peut-il répondre aux défis énergétiques et industriels actuels ? Nous verrons d’abord quelles sont ses propriétés chimiques fondamentales, puis comment on le produit et le stocke, et enfin, quelles sont ses applications industrielles, notamment dans l’aviation. I) Les propriétés de l’hydrogène L’hydrogène est le premier élément du tableau périodique : il est constitué d’un seul proton et d’un seul électron, ce qui en fait l’atome le plus simple qui existe.

Dans les conditions normales de température et de pression, il se présente sous forme de molécule diatomique, H₂, un gaz incolore, inodore et extrêmement léger, avec une masse volumique très faible — environ 0,09 kg/m³. Une de ses propriétés les plus remarquables est sa densité énergétique massique très élevée : un kilogramme d’hydrogène libère environ 33 kWh lors de sa combustion, soit presque trois fois plus que l’essence.

Cela en fait un vecteur énergétique très attractif, notamment pour les transports où le rapport poids/énergie est essentiel, comme en aéronautique. Sur le plan chimique, l’hydrogène est très réactif.

Il peut se combiner à de nombreux éléments non métalliques, notamment à l’oxygène pour former de l’eau, selon la réaction suivante : 2H2+O2→2H2O2H₂ + O₂ → 2H₂O C’est une réaction exothermique, c’est-à-dire qu’elle libère de l’énergie.

Elle est à la base du fonctionnement des piles à combustible, que j’expliquerai plus en détail dans la suite. Dans une pile, l’hydrogène joue un rôle d’agent réducteur : • Il s’oxyde à l’anode en libérant des électrons : H2→2H++2e−H₂ → 2H⁺ + 2e⁻ • Ces électrons produisent un courant électrique, puis à la cathode, ils réagissent avec le dioxygène pour former de l’eau : 12O2+2H++2e−→H2O\frac{1}{2}O₂ + 2H⁺ + 2e⁻ → H₂O La réaction globale produit donc de l’eau et libère de l’électricité et de la chaleur, sans émettre de CO₂.

C’est ce qui rend la pile à combustible si prometteuse dans le contexte de la transition énergétique. L’hydrogène est aussi très utilisé dans l’industrie chimique, notamment pour des réactions d’hydrogénation — par exemple pour transformer des huiles végétales en margarines, ou pour purifier certains carburants. Enfin, ce gaz suscite un fort intérêt pour son cycle énergétique propre.

Lorsqu’il est produit par électrolyse de l’eau à partir d’énergies renouvelables et qu’il est ensuite utilisé dans une pile à combustible, le seul déchet est l’eau.

Ce cycle sans émission de carbone en fait un candidat clé pour une économie plus durable et décarbonée. Mais l’hydrogène présente aussi des inconvénients importants : • Il est hautement inflammable, avec une large plage d’explosivité. • Et surtout, sa faible densité volumique rend son stockage difficile, que ce soit sous forme gazeuse comprimée, liquide cryogénique ou combinée à des matériaux. II) Production de l’hydrogène Aujourd’hui, la production mondiale d’hydrogène atteint environ 70 millions de tonnes par an, principalement pour l’industrie (raffinage, fabrication d’ammoniac).

Toutefois, 95 % de cet hydrogène est produit à partir d’énergies fossiles, en particulier du méthane, ce qui engendre de fortes émissions de CO₂. La méthode la plus répandue est le vaporeformage du méthane : CH₄ + H₂O → CO + 3H₂\text{CH₄ + H₂O → CO + 3H₂} suivie de la réaction dite "du gaz à l’eau" : CO + H₂O → CO₂ + H₂\text{CO + H₂O → CO₂ + H₂} Ce procédé, bien que très utilisé, émet beaucoup de CO₂ et n’est pas compatible avec la transition énergétique. Pour produire un hydrogène plus propre, une alternative est l’électrolyse de l’eau, que nous avons étudiée en terminale. C’est une transformation chimique non spontanée, où l’on utilise un courant électrique pour séparer l’eau en dihydrogène et dioxygène : 2H₂O (l) → 2H₂ (g) + O₂ (g)\text{2H₂O (l) → 2H₂ (g) + O₂ (g)} Si l’électricité utilisée est renouvelable (éolien, solaire), on parle alors d'hydrogène vert, sans émissions de gaz à effet de serre.

Cette méthode repose sur une réaction d’oxydoréduction, notion centrale du programme. Actuellement, l’électrolyse ne représente que 4 à 5 % de la production mondiale à cause de son coût élevé.

Mais des projets comme Air Liquide avec Siemens développent des électrolyseurs à grande échelle en France et en Allemagne. Le stockage de l’hydrogène est également un défi.

Comme c’est un gaz très léger, plusieurs solutions sont envisagées : • Compression à 700 bars, utilisée dans certains véhicules ; • Liquéfaction à -253 °C, comme dans les projets spatiaux ; • Ou stockage chimique, par exemple dans des hydrures métalliques, technologie exploitée par Toyota. Passons maintenant à quelques applications concrètes dans différents secteurs. 🔹 Aéronautique et spatial : L’hydrogène est utilisé comme carburant cryogénique dans les fusées Ariane 5 et 6.

L’hydrogène liquide (LH₂) est mélangé à de l’oxygène liquide (LOX), et leur combustion donne : 2H₂ + O₂ → 2H₂O + eˊnergie\text{2H₂ + O₂ → 2H₂O + énergie} Cette réaction libère une très grande quantité d’énergie pour une masse très faible, ce qui est essentiel pour la poussée d’un lanceur spatial. 🔹 Transports propres : Le train à hydrogène Coradia iLint (Alstom) est le premier en Europe, testé en Allemagne et en France.

Il utilise une pile à combustible : H₂ + ½ O₂ → H₂O + eˊlectriciteˊ\text{H₂ + ½ O₂ → H₂O + électricité} Cette électricité alimente un moteur électrique.

Le train ne rejette que de la vapeur d’eau, il est silencieux, et idéal pour les lignes non électrifiées. 🔹 Sidérurgie : Le projet HYBRIT en Suède vise à produire de l’acier sans utiliser de charbon. L’hydrogène est utilisé pour réduire le minerai de fer : Fe₂O₃ + 3H₂ → 2Fe + 3H₂O\text{Fe₂O₃.... »