Les facettes de l’hydrogène

Le lecteur s’intéressant à l’hydrogène en tant que vecteur de stockage de l’énergie électrique de demain peut utilement se reporter au fichier negawatt. Il peut aussi prendre connaissance de ce qui suit.

1 Le vide et le froid

Le Kazakhstan, pays de l'Asie centrale allait développer en collaboration avec l'Allemagne et selon ''Révolution énergétique'' un projet faramineux de production d’énergie électrique type éolienne et solaire de 45 gigawatts (GW) dans ses steppes désertiques. L’électricité produite devait alimenter une usine produisant de l’hydrogène par électrolyse de 30 GW qui devait produire annuellement 3 millions de tonnes d’hydrogène. Il faut en effet savoir que stocker de l'hydrogène c'est stocker de l'électricité.

L'Allemagne a fait le bon choix en se rapprochant du Kazakhstan un pays à la densité de population très faible qui dispose d'une surface au sol par habitant presque 20 fois plus importante que la France. Ce projet, le plus gigantesque connu à ce jour dans le monde bien que ce pays soit sensiblement 4 fois moins peuplé que la France, est deux à 3 fois plus puissant que les projets en cours en Mer du Nord au large de la Hollande et dans l’ouest de l'Australie. C’est l’argent de produits fossiles et les richesses du sous-sol du Kazakhstan où gisent des ressources minières mirobolantes qui devaient financer ce projet de 150 milliards de dollars. Il est malheureusement probable que le conflit Ukraine-Russie va faire avorter ce projet. Cela malheureusement on peut le craindre au profit du nucléaire. Le Kazakhstan qui exporte 33% de la production mondiale d’uranium provenant de son sous-sol place en effet ce pays au rang de premier exportateur mondial d'uranium. Ceci combiné avec le fait qu'il est aussi le premier producteur mondial de potassium et qu'il dispose également de très importantes réserves de manganèse, de fer, de chrome et de charbon. Avec en plus des revenus provenant de ses exportations de pétrole brut qui couvrent à eux seuls 55% du budget de l’Etat. Avec la manne financière que rapportent ces ressources le gouvernement Kazakh a d’abord eu la sagesse de rembourser en l’an 2000 toute sa dette au Fonds Monétaire International (FMI), sept ans avant l’échéance.

Ces 2 partenaires Kazakhstan-Allemagne n’en étaient encore qu’aux premiers balbutiements d’un simple protocole d’accord. Ils estiment que la phase de développement, comprenant la planification, le financement, les études et l’engineering s’étalera sur 5 ans, la construction des parcs éoliens et solaires est de la gigafactory durera 5 années de plus. Il faudra donc attendre encore au moins 10 avant que le Kazakhstan n’exporte l'hydrogène produite voire un peu plus en raison des troubles politiques actuels comparable à celle des gilets jaunes dans cette région du monde.

Bernard Deboyser ingénieur polytechnicien ne précise pas sous quelle forme sera vendu cet hydrogène. Pour éviter les fortes températures et les hautes pressions qui leur sont associées l'évolution pourrait bien être vers le froid et le vide. Ceci avec l'hydrogène liquide à très basse température et non gazeux à pression élevée. Les allemands ont en effet acquis une bonne expérience d'un isolant presque parfait : le vide. Cela pour ce qui concerne l'enveloppe qui contiendra à l'hydrogène destiné à l'exportation à très basse température (environ - 250 degrés C). Stockés à cette température sous forme liquide les 3 millions de tonnes d'hydrogène représente une énergie sensiblement égale à

3 000 000 000 * 35 = 100 milliards de kWh. Une quantité d'énergie qui représente sensiblement 20 %de la production nucléaire annuelle française.

Quant aux quelques 250 milliards de kWh d'électricité qui sont nécessaires pour produire cet hydrogène grâce à l'électrolyse de l'eau, la surface au sol utile au voltaïque ne représente, en raison d'un ensoleillement généreux de 250 kWh par m2 de panneaux solaire "que" 1000 km2 de panneaux soit à peine 0,3 pour mille de la surface du pays.

A noter que la France, à l'image de ce qu'a entrepris l'Allemagne avec le Kazakstan a aussi lancé un projet photovoltaïque associé à une usine de production d’hydrogène vert. Ceci avec son projet à moindre échelle de 5000 m2 de panneaux solaires porté par la société Arkolia Energie et prévu sur le plateau du Larzac, une région française particulièrement bien ensoleillée.

2 Les pressions élevées et les hautes températures

Les processus de fission ou de fusion nucléaire consistent à transformer les noyaux atomiques. La masse de la matière après transformation étant inférieure à celle du noyau initial, la fission autant que la fusion s’accompagne, comme l'avait prévu Einstein dans sa célèbre formule (E = mc²), d’une libération énorme d’énergie due à cet écart de masse.

La relation reliant la masse de la matière et l'énergie potentielle contenue dans celle-ci est stupéfiante. L'homme a malheureusement laissé cette quantité d'énergie, terrifiante au sens propre, se libérer instantanément dans les bombes à hydrogène (type H) à fusion. Le projet ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) consiste à fusionner deux noyaux atomique légers (les deux isotopes de l’hydrogène le deutérium et le tritium) en un seul noyau plus lourd (l’hélium).

Nombre de particules dans le noyau …	2 3 4
	D + T > He + 1n + 16 MeV ^1)
Nb d'élément dans le tableau Mendeleïv	1 1 2

¹⁾ Formule extraite de l'Encyclopédie Universalis

Pour comprendre cela, il convient de parler de l'atome d'hydrogène. Cet élément, l'un des plus abondants au monde existe sous trois variétés isotopiques : l'hydrogène léger, le plus courant dont le noyau ne comporte qu'un proton de masse atomique égale à 1, le deutérium dont le noyau comporte 1 neutron et 1 proton, de masse atomique de environ 2, et le tritium dont le noyau comporte 1 proton et 2 neutrons de masse atomique sensiblement 3. Quant à l'hélium He, il a une masse atomique d’environ 4 avec deux protons et deux neutrons. La théorie permet d'imaginer qu'en accélérant très vivement, dans un accélérateur de particule approprié, les noyaux des deux isotopes de l'hydrogène (deutérium et tritium), on pourrait par agitation thermique puis collision, passer la barrière de potentiel protégeant les noyaux et arriver ainsi à la fusion de ces deux isotopes. Des équipes de chercheurs se sont déjà engagés dans cette voie et ont atteint des résultats suffisamment prometteurs pour engager au niveau mondial un énorme programme de recherche : l’ouverture du programme ITER date de 2007. C’est au confluant de la Durance et du Verdon sur le site de Cadarache que la décision a été prise de construire ce nouveau type de réacteur. A nouveau, et comme cela s’est produit pour la fission nucléaire, la rivière est omniprésente pour le refroidir, si besoin est étant donné les températures considérables mise en jeu. C’est en raison de son avance technologique dans le nucléaire que la France a été choisie il y a maintenant 10 ans par la communauté internationale pour la construction du plus grand réacteur expérimental au monde dans le cadre de ce programme. En contrepartie, la direction du projet est nippone. Juste revanche sur l’atome pour les japonais après les deux terribles drames d’Hiroshima et de Nagasaki. Au moment où la pénurie mondiale de pétrole approche, l’enjeu a semblé considérable lors de la mise en œuvre de l’accélérateur de particules. Une équipe de chercheurs internationaux a été jugée nécessaire pour mener à bien ce projet grandiose qui comprend 2 étapes ; 10 ans de construction suivi de 30 ans de recherche dans un domaine à la limite de nos connaissances en physique. Malgré d'énormes difficultés, on espère disposer, dans quelques décennies, d'une source d'énergie quasiment inépuisable - l'hydrogène étant très abondant - et parfaitement propre, cette nouvelle production d’énergie serait assurée sans déchets radioactifs. Les anti-nucléaires soulignent les arrières pensées militaires qui peuvent surgir de cette forme de production d’énergie. Ils ont probablement tort sur ce point car nul doute que ces réalisations, fruit d'une volonté internationale commune, ont été décidées et exécutées pour le bien de l'humanité et une main tendue aux générations futures au nom de la solidarité et de la responsabilité. Par contre, lorsqu'ils évoquent la complexité des technologies de l’atome, leur inquiétude est certainement fondée. Il faut en effet après avoir amorcé la réaction de fusion entretenir celle-ci en la contrôlant. L'amorçage nécessite des énergies considérables puisqu'une mini bombe classique à fusion d'uranium 235 est nécessaire. Le bilan énergétique global est jusqu'à présent resté négatif dans la mesure où l'on volontairement limité la réaction de fusion à des temps très courts. Les anti-nucléaires ne manqueront pas d'utiliser le terme « d'apprenti sorcier » en mettant en avant ce qui pourrait se passer si la réaction devenait incontrôlable. Le rapport de Monsieur Mandil, ancien directeur exécutif de l’IEA à l’OCDE, était plein de bon sens lorsqu'il expliquait que toute forme de production d’énergie n’utilisant pas la combustion des produits fossiles et exploitables à court terme méritait examen. Au moment où l’humanité prend conscience du réchauffement climatique et de la nécessité de l’atténuer cette tentative d’homo sapiens de résoudre ses problèmes d’énergie en passant par les très hautes températures avec la fusion nucléaire n'est à l’évidence pas la voie à suivre et le responsable du CNRS de l’époque a eu raison de donner sa démission à l’origine du projet lorsqu’il a en plus pris conscience de sa complexité. Certes il y a urgence à agir mais l’on ne peut-on reprocher à un chercheur de ne pas trouver et ce n’est assurément pas l’aimant permanent envoyé par la Russie vers la France fin 2022 pendant la guerre en Ukraine qui va changer la face des choses. Depuis 2007 les résultats pratiques obtenus son bien mince et ce n’est pas le modèle réduit d’ITER nommé selon WIKI « West » dans l’enceinte du CEA qui va changer les choses pas plus que les essais plus récents de la Chine qui a réussi à maintenir la fusion pendant une centaine de secondes et à l’arrêter. Vu la difficulté à confiner ces chaleurs extrêmes par des barrières magnétiques, l’exploitation pratique de la fusion de l’atome ne viendra probablement pas à notre secours avant une bonne cinquantaine d’années . Ceci alors qu’il y a urgence à agir. Heureusement pour nous, il n’y pas lieu de s’inquiéter : le soleil et l’eau sont là. Grâce à l’eau la thermodynamique nous offre dès à présent l’opportunité d’économiser l’énergie électrique et surtout de la produire plus intelligemment.

Des chercheurs qui cherchent on en trouve, des chercheurs qui trouvent on en cherche

De Gaulle?