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