L’hydrogène, avenir de la combustion ?

La demande d’éner­gie dans le monde a consi­dé­ra­ble­ment aug­men­té avec l’ac­crois­se­ment de la popu­la­tion. Cela s’ex­plique, et c’est un truisme, par le fait que l’éner­gie est néces­saire à presque toutes les acti­vi­tés : dans l’in­dus­trie, pour les acti­vi­tés domes­tiques et les dépla­ce­ments urbains, inter­ur­bains ou inter­con­ti­nen­taux. Aujourd’hui, la majo­ri­té de l’éner­gie uti­li­sée est obte­nue par la com­bus­tion de com­bus­tibles fos­siles, qui ne sont bien enten­du pas des res­sources renou­ve­lables. L’éner­gie libé­rée lors de la com­bus­tion des com­bus­tibles fos­siles est moins coû­teuse, mais elle est confron­tée à cer­tains défis qu’il n’est pro­ba­ble­ment pas utile de rap­pe­ler ici.

Incon­tour­nable com­bus­tion

Le sou­hait de ne plus recou­rir à la com­bus­tion des éner­gies fos­siles ne rime cepen­dant pas for­cé­ment avec la dis­pa­ri­tion des pro­cé­dés de com­bus­tion. Ils sont aujourd’hui hégé­mo­niques et tra­vaillés inten­si­ve­ment depuis 150 ans. Aucun motif sérieux n’est à même de les faire dis­pa­raître. Ils sont du reste trop nom­breux : tur­bines à gaz, moteurs ther­miques et hybrides, brû­leurs des appa­reillages de chauf­fage et des fours des indus­tries pétro­chi­miques, brû­leurs néces­saires aux opé­ra­tions de séchage, sys­tèmes de com­bus­tion pour chau­dières indus­trielles et domes­tiques, etc. Tous déve­lop­pés pour des appli­ca­tions spécifiques. 

Les alter­na­tives que sont les piles à com­bus­tibles ou encore les bat­te­ries sont pro­ba­ble­ment inté­res­santes pour quelques niches, mais elles ne sont ni propres ni sûres, et demeurent très coû­teuses, tant sur les plans éco­no­mique et socié­tal qu’environnemental. 

Il reste donc à dis­cu­ter des sub­stances sus­cep­tibles de rem­pla­cer les éner­gies fos­siles, en par­ti­cu­lier le gaz natu­rel, dans ces dis­po­si­tifs de com­bus­tion. Les indus­tries ver­rières pensent au verre vert, et l’un des can­di­dats poten­tiels pour répondre à leurs sou­cis et besoins est l’hy­dro­gène (H2) vert. Ce sou­ci n’est pas uni­que­ment celui des indus­triels du verre, il en va de même pour l’industrie cimen­tière et, plus géné­ra­le­ment, pour tous les indus­triels. L’hy­dro­gène n’existe pas en tant que tel dans la nature (l’atmosphère ter­restre en contient très peu). On peut l’obtenir à par­tir des matières végé­tales (bio­masse), mais il semble que l’on s’oriente vers une pro­duc­tion par élec­tro­lyse de l’eau et/ou à l’aide de pro­cé­dés ther­miques. [Ces ques­tions ne sont pas abor­dées plus avant ici, mais sont trai­tées dans d’autres articles du pré­sent dossier].

L’hydrogène, ave­nir de la combustion ?

Com­bi­né à l’u­ti­li­sa­tion de sources d’éner­gie renou­ve­lables pour sa pro­duc­tion, l’hy­dro­gène (consi­dé­rons le vert par sim­pli­ci­té) repré­sente un com­bus­tible alter­na­tif poten­tiel pour les tur­bines à gaz des­ti­nées à pro­duire de l’élec­tri­ci­té à faibles émis­sions et pour les pro­cé­dés, appa­reillages et sys­tèmes de com­bus­tion énu­mé­rés ci-des­sus. Cepen­dant, en rai­son de la dif­fé­rence des pro­prié­tés phy­siques entre l’hy­dro­gène et d’autres com­bus­tibles tels que le gaz natu­rel, les sys­tèmes de com­bus­tion de tur­bines à gaz bien rodés ne peuvent pas être conver­tis direc­te­ment à la com­bus­tion d’hy­dro­gène – un pro­cé­dé en déve­lop­pe­ment depuis de nom­breuses années, car il offre la pro­messe de réduire consi­dé­ra­ble­ment les émis­sions de NOx, sans émettre de par­ti­cules (PM ou suies) ou de CO₂. 

Les nom­breuses études fon­da­men­tales menées dans les labo­ra­toires aca­dé­miques et les labo­ra­toires de R&D ont per­mis de très bien maî­tri­ser les méca­nismes de com­bus­tion de l’hydrogène dans l’oxygène ou dans l’air. Ils peuvent être implé­men­tés dans des codes CFD (Com­pu­ta­tio­nal Fluid Dyna­mics) mai­sons ou com­mer­ciaux qui prennent en compte non seule­ment la méca­nique des fluides, les pro­prié­tés de trans­port, les échanges ther­miques mais aus­si, et c’est plus récent, la chi­mie de la com­bus­tion avec la finesse néces­saire et suf­fi­sante pour savoir dans quelles zones du dis­po­si­tif agir pour limi­ter la for­ma­tion des seuls pol­luants sus­cep­tibles de se for­mer lors de la com­bus­tion H₂/air, c’est-à-dire les oxydes d’azote ou NOx (monoxyde d’azote (x=1) et dioxyde d’azote (x=2)).

Réduc­tion des polluants

Il est bon de pré­ci­ser que les indus­triels et les aca­dé­miques ont déve­lop­pé depuis des décen­nies des stra­té­gies, aujourd’hui éprou­vées, pour limi­ter la for­ma­tion des oxydes d’azote lors des com­bus­tions des éner­gies fos­siles. On peut citer, de façon non-exhaus­tive, l’EGR (pour Exhaust Gas Recir­cu­la­tion), la tech­no­lo­gie SNCR (pour Selec­tive Non Cata­ly­tic Reduc­tion), la tech­no­lo­gie SCR (pour Selec­tive Cata­ly­tic Reduc­tion), la post-com­bus­tion et diverses tech­no­lo­gies de com­bus­tions dites « avan­cées » qui com­binent des tech­no­lo­gies exis­tant indé­pen­dam­ment les unes des autres.

Ces stra­té­gies de dépol­lu­tion pour­ront être mises en œuvre au besoin pour les appa­reillages dans les­quels on brû­le­ra des mélanges hydrogène/air. Sachant que cer­taines d’entre elles auto­risent une réduc­tion de 90 % des NOx, on conçoit que la com­bus­tion de l’hydrogène est une alter­na­tive sérieuse, propre et sûre. Natu­rel­le­ment, les risques chi­miques encou­rus lors de la mise en œuvre de l’hydrogène ne sont pas les mêmes que pour le gaz natu­rel. Cepen­dant, ces risques sont connus et par­fai­te­ment maî­tri­sés, et sont exac­te­ment les mêmes que ceux des piles à com­bus­tible, par exemple.

Pour aller plus loin

Com­bus­tion, Pol­lu­tions et Risques Envi­ron­ne­men­taux (French Edi­tion), Laurent Catoire