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L'hydrogène vert doit encore faire ses preuves

L’hydrogène, avenir de la combustion ?

Laurent Catoire, responsable de l'Unité chimie et procédés (UCP) à l'ENSTA Paris (IP Paris)
Le 8 juillet 2021 |
4 mins de lecture
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L’hydrogène, avenir de la combustion ?
Laurent Catoire
Laurent Catoire
responsable de l'Unité chimie et procédés (UCP) à l'ENSTA Paris (IP Paris)
En bref
  • Aujourd'hui, la majeure partie de notre énergie est obtenue en brûlant des combustibles fossiles, moins chers que les énergies renouvelables.
  • L'hydrogène vert (H2) pourrait remplacer certains combustibles fossiles, notamment le gaz naturel, dans certains dispositifs de combustion comme carburant pour les turbines à gaz et les processus industriels.
  • Certaines méthodes de combustion de l'hydrogène produisent 90 % de pollution en moins sous forme d'oxydes d'azote (NOx).

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

Auteurs

Laurent Catoire

Laurent Catoire

responsable de l'Unité chimie et procédés (UCP) à l'ENSTA Paris (IP Paris)

Laurent Catoire est professeur en cinétique chimique appliquée, en particulier à la combustion et en général à tous les systèmes réactifs. Après une thèse DGA, il travaille depuis 30 ans sur des systèmes réactifs assez peu étudiés, mal connus mais aux applications importantes ou potentiellement importantes (systèmes hypergoliques en propulsion spatiale, matériaux énergétiques civils et militaires (explosifs, propergols et générateurs de gaz), liquides ioniques énergétiques, nanothermites, combustion de l'aluminium, combustion des métaux, etc).