Comme quoi on peut traduire des textes qui nous intéressent davantage personnellement, voici un article pour ceux qui sont encore obnubilés par le reportage sur la voiture à l'hydrogène diffusé il y a quelques temps par Radio-Canada.
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Les experts en matière d'énergie ne prennent pas au sérieux les concepts de mouvement perpétuel, d'énergie libre et de fusion froide; qu'en est-il d'une économie basée sur l'hydrogène? Avant d'y investir des milliards de dollars, jetons un coup d'oeil aux performances de la voiture à l'hydrogène.
auteure de l'article original : Alice Friedemann - septembre 2004
La production
L'hydrogène n'est pas une source d'énergie; il s'agit d'un vecteur énergétique, comme une pile. Il faut la fabriquer et y stocker de l'énergie, deux processus qui requièrent de l'énergie. Quatre-vingt seize pour cent (96 %) de cette énergie provient de combustibles fossiles, surtout pour la raffinerie du pétrole et de l'huile hydrogénée (le type d'huile qui donne des infarctus) [1]. Aux États-Unis, quatre-vingt-dix pour cent (90 %) de l'hydrogène est fabriquée à partir du gaz naturel, avec une efficacité de 72 % [2], ce qui veut dire que l'on a déjà perdu 28 % de l'énergie contenue dans le gaz naturel pour la fabriquer (et cela sans compter l'énergie nécessaire pour extraire le gaz naturel et le transporter jusqu'à l'usine d'hydrogène).
Seulement quatre pour cent (4 %) de l'hydrogène provient de l'eau par électrolyse. Ce processus est indispensable si l'hydrogène doit être extrêmement pure. Puisque la plus grande partie de l'électricité provient de combustibles fossiles d'usine dont l'efficacité est de 30 %, et que l'électrolyse possède une efficacité de 70 %, on a finalement besoin de quatre unités d'énergie pour créer une unité d'énergie hydrogénique : 70 % * 30 % = efficacité de 20 % [3].
Obtenir de l'hydrogène à l'aide de combustibles fossiles utilisés comme charge d'alimentation ou comme source d'énergie dénote un effet quelque peu pervers, puisque l'objectif de départ et de ne pas dépendre des combustibles fossiles. L'objectif est d'utiliser une énergie renouvelable pour produire de l'hydrogène à partir d'eau par électrolyse. Lorsque le facteur vent est suffisamment puissant, les éoliennes actuelles peuvent atteindre une efficacité de 30 à 40 %, produisant de l'hydrogène pour une efficacité globale de 25 %, ou 3 unités d'énergie éolienne pour obtenir 1 unité d'énergie hydrogénique. Les meilleurs panneaux solaires disponibles à grand échelle possèdent une efficacité de dix pour cent (10 %) ou 9 unités d'énergie pour obtenir 1 unité d'énergie hydrogénique. Si on se sert d'algues pour fabriquer de l'hydrogène comme sous-produit, l'efficacité est d'environ 0,1 % [4].
Peu importe l'angle d'approche, produire de l'hydrogène à partir de l'eau est un puits d'énergie. Si vous ne comprenez pas ce concept, envoyez-moi dix dollars par la poste et je vous enverrai un dollar.
Il est possible de produire de l'hydrogène à partir de biomasse, cependant, nous sommes alors confrontés à ces problèmes : 1) le processus est saisonnier, 2) on doit composer avec un fort taux d'humidité, ce qui requiert de l'énergie pour le stockage et la déshydratation avec la gazéification, 3) les ressources sont limitées, 4) ces quantités ne sont pas suffisantes pour la production d'hydrogène à grande échelle, 5) cela nécessiterait une allocation importante de terres, car même la biomasse cultivée dans un humus de bonne qualité donne de faibles résultats (9 tonnes métriques pour 2,4 acres ou 1 hectare), 6) l'humus subira un processus de dégradation par érosion et perte de fertilité s'il est privé de biomasse, 7) toute énergie introduite dans la terre pour faire croître la biomasse, par exemple les fertilisants et le cycle semis / récolte, s'ajoutera aux coûts énergétiques, 8) aux coûts de livraison vers la centrale électrique, et 9) cela ne convient pas à la production d'hydrogène pur [5].
Une des principales raisons qui motive le passage à l'hydrogène est la prévention du réchauffement planétaire causé par les combustibles fossiles. Lorsque l'on produit de l'hydrogène à partir de gaz naturel, cela entraîne la libération d'oxydes d'azote, des composés chimiques 58 fois plus efficaces que le dioxyde de carbone lorsqu'il s'agit d'emprisonner la chaleur [6]. Le charbon libère de grandes quantités de CO2 et de mercure. Le pétrole est trop utile et puissant pour qu'on le gaspille pour de l'hydrogène : c'est un concentré d'énergie solaire qui a mijoté sur des centaines de millions d'années. Un litre d'essence équivaut à environ 89 100 kilogrammes de plantes fossiles, soit la même quantité que 40 acres de blé [7].
Le gaz naturel aussi a trop de valeur pour qu'il soit gaspillé sur l'hydrogène. On s'en sert pour fabriquer des fertilisants (à la fois sous forme de charge d'alimentation et de source d'énergie). Cela a entraîné une croissance spectaculaire de la production végétale, permettant à 4 milliards d'humains supplémentaires d'exister qui, sinon, ne pourraient pas survivre [8, 9].
De plus, nous n'avons pas assez de gaz naturel en réserve pour soutenir une économie basée sur l'hydrogène. L'extraction du gaz naturel est en décroissance en Amérique du Nord [10]. Il faudra au moins une décennie avant même de commencer à remplacer le gaz naturel avec le LNG (gaz naturel liquéfié) importé. La production de LNG exige tellement d'énergie qu'il serait économiquement et environnementalement impensable de s'en servir comme source d'hydrogène [3].
Introduire de l'énergie dans de l'hydrogène
Peu importe son mode de fabrication, l'hydrogène n'a aucun potentiel énergétique. Il s'agit du combustible pourvu de la plus faible densité énergétique sur Terre [5]. À température et pression de laboratoire (entre 15 et 25 °C), l'hydrogène occupe trois mille fois plus d'espace qu'un volume d''essence contenant une quantité équivalente d'énergie [3]. Pour stocker de l'énergie dans de l'hydrogène, cette dernière doit être comprimée ou liquéfiée. Comprimer de l'hydrogène à 10 000 psi est un processus en plusieurs étapes qui entraînera une perte supplémentaire de 15 % de l'énergie contenue dans l'hydrogène.
Si on choisit la liquéfaction, il sera possible de stocker davantage d'énergie hydrogène dans un volume plus petit, mais le processus entraîne une perte d'énergie de 30 à 40 %. De plus, la manutention nécessite d'extrêmes précautions en raison du froid : -423 °F (-252,7 °C). Normalement, le ravitaillement s'effectue mécaniquement, à l'aide d'un bras robot [3].
Stockage
Sur un véhicule, il est nécessaire d'installer un système de soutien cryogénique si on utilise de l'hydrogène liquide. Le froid du réservoir est suffisant pour causer l'obstruction de valves et d'autres problèmes. Si on ajoute de l'isolation afin de pallier à ces problèmes, on augmente le poids d'un réservoir déjà très lourd [11].
Supposons qu'une voiture à l'hydrogène peut se déplacer à raison de 55 miles (88,5 km) par kg [5]. Un réservoir qui contient 3 kg de gaz comprimé permettra à la voiture de parcourir 165 miles (265,5 km) pour un poids de 400 kg [12]. Si on compare cette performance à celle d'un réservoir d'essence d'une Honda Accord, d'un poids de 11 kg, au coût de 100 $US, d'une capacité de 17 gallons (64 litres) d'essence. Le poids maximum est de 73 kg (8 lbs par gallon soit environ 1 kg par litre). La distance possible est de 493 miles (793 km) à un taux de 29 m.p.g. (12 km/litre).
Selon la National Highway Safety Traffic Administration (NHTSA), "La réduction du poids des véhicules est peut-être une des techniques les plus efficaces pour l'amélioration de l'économie d'essence. Chaque réduction de poids de 10 pour cent (10 %) augmente d'environ huit pour cent (8 %) les économies d'essence du nouveau design d'un véhicule”.
Plus on comprime l'hydrogène, plus la taille du réservoir est petite. Cependant, plus on augmente la pression, plus on doit aussi augmenter l'épaisseur des parois d'acier, donc par le fait même le poids du réservoir. L'augmentation des coûts est proportionnelle à l'augmentation de la pression. À 2 000 psi, c'est 400 $US par kg. À 8 000 psi, c'est 2 100 $US par kg [5]. Et le réservoir sera énorme -- à 5 000 psi, le réservoir peut occuper jusqu'à dix fois le volume d'un réservoir d'essence contenant la même potentiel énergétique.
Les piles à combustibles sont également lourdes : "Un système de stockage d'hydrure métallique qui peut contenir 5 kg (11 lbs) d'hydrogène, y compris l'alliage, le container et les échangeurs thermiques, aurait une masse d'environ 300 kg (661 lbs), ce qui réduirait le rendement énergétique du véhicule," selon Rosa Young, physicienne et vice-présidente du développement des matériaux de pointe chez Energy Conversion Devices de Troy, au Michigan [12].
Les piles à combustibles sont dispendieuses. En 2003, elles coûtaient 1 million de dollars ou plus. À ce stade, leur fiabilité est faible, elles nécessitent un catalyseur bien moins coûteux que le platine, peuvent s'obstruer et perdre de la puissance s'il y a des impuretés dans l'hydrogène, ont une durée maximum de 1 000 heures, ont peine à dépasser une portée de plus de 100 miles (161 km), et sont loin de concurrencer les hybrides électriques comme la Toyota Prius, déjà plus écoénergétique et beaucoup moins productrice de CO2 que les futures cellules à combustible. [3]
L'hydrogène est le Houdini des éléments. Aussitôt qu'il est introduit dans un contenant, il tente de s'échapper, et, puisqu'il s'agit du plus léger des gaz, il faut beaucoup d'efforts pour l'empêcher de s'échapper. Les dispositifs de stockage nécessitent une gamme complexe de dispositifs d'étanchéité, de joints statiques et de valves. L'hydrogène liquide des réservoirs pour véhicules s'évapore à raison de 3 à 4 % par jour [3, 13].
De plus, l'hydrogène a tendance à fragiliser le métal [14]. Du métal fragilisé peut causer des fuites. Dans un pipeline, cela peut entraîner la fissuration ou la tapure, ce qui peut entraîner des pannes potentielllement catastrophiques [3]. Renforcer le métal pour qu'il soit suffisamment soilde pour résister à l'hydrogène augmente les coûts et le poids.
Les fuites ont aussi plus de chance de se produire à mesure que la pression augmente. L'hydrogène peut fuir par des connections non soudées, des conduits d'essences, ainsi que des dispositifs d'étanchéité non-métalliques comme les joints statiques, joints toriques, ou composés et garnitures pour filetage. Un moteur à cellule à combustible peut posséder des milliers de dispositifs d'étanchéité [15]. L'hydrogène a le point d'inflammation le plus bas de tous les combustibles, 20 fois moins que l'essence. Donc, si une fuite se produit, elle peut être allumée à cause d'un téléphone cellulaire, un orage situé à des kilomètres [16], ou par l'électricité statique produite par le frottement sur un siège d'auto.
Les fuites et les incendies qui peuvent en résulter sont invisibles. À moins de passer au travers d'une flamme d'hydrogène, parfois le seul moyen de détecter une fuite, c'est la faiblesse de la performance.
Transport
Des camions à cartouches (250 000 $US chacun) peuvent transporter suffisamment de combustible pour 60 voitures [3, 13]. Ces camions ont un poids de 40 000 kg cependant qu'il ne peuvent livrer que 400 kg d'hydrogène. Pour une distance de livraison de 150 miles (241 km), l'énergie nécessaire à cette livraison est presque équivalente à 20 % de l'énergie utilisable de l'hydrogène ainsi livrée. Pour 300 miles (482 km), cette proportion monte à 40 %. Un camion de même taille transportant de l'essence peut livrer 10 000 gallons (37 854 litres), soit la quantité suffisante pour faire le plein d'environ 800 voitures [3].
Autre solution de rechange : des pipelines. Le coût moyen d'un pipeline de gaz naturel est d'un million de dollars US par mile (621 378 $US par km), et aux États-Unis on compte environ 200 000 miles (321 869 km) de pipelines de gaz naturel, que nous ne pouvons par ré-utiliser parce qu'ils sont composés de métal qui se fragiliserait et causerait des fuites, sans compter leur diamètre inapproprié pour maximiser le début de l'hydrogène. Pour construire une infrastructure semblable pour transporter l'hydrogène, il nous faudrait dépenser 200 trillions de dollars US. L'essentiel des coûts d'exploitation de pipelines à hydrogène est consacré à la puissance de compression et à l'entretien [3]. Les compresseurs dans le pipeline assurent le flux du gaz, utilisant l'énergie de l'hydrogène pour pousser le gaz à destination. Après 620 miles (1 000 km), 8 % de l'hydrogène a été utilisé pour la faire progresser dans le pipeline [17].
À un certain point de cette chaîne de fabrication, d'intrant énergétique, de stockage et de livraison de l'hydrogène, on a utilisé plus d'énergie que l'on en créé, et cela ne tient même pas compte de l'énergie utilisée pour fabriquer des cellules à combustible, des réservoirs de stockage, des systèmes de livraison et des véhicules [17]. Lorsque l'on pourra fabriquer de l'hydrogène à bon marché par fusion nucléaire, des cellules à combustibles à nanotubes fiables et durables, ainsi que des pipelines et réservoirs légers, à l'épreuve des fuites en fibre de carbone à parois de polymère à peu de frais, on pourra peut-être à ce moment considérer l'établissement d'une infrastructure pour l'économie basée sur l'hydrogène. En attendant, ce n'est que du vent. Tous les obstacles techniques doivent être surmontés pour que tout cela puisse se produire [18]. Entre temps, il faudrait arrêter tous les travaux sur le FreedomCAR et commencer à établir des normes CAFE(Corporate Average Fuel Economy) plus strictes [19].
Dans quelques années, le prix du pétrole et du gaz naturel augmentera sans cesse en raison du tarissement géologique et de crises politiques au sein des nations où s'effectue l'extraction. Puisque l'infrastructure de l'hydrogène sera construite à partir de l'infrastructure pétrolière existante (c'est-à-dire les véhicules à moteur à combustion interne, centrales et usines, plastiques, etc), le prix de l'hydrogène augmentera aussi -- l'hydrogène ne coûtera jamais moins cher que les combustibles fossiles. À mesure que l'épuisement se fera sentir, les usines seront forcées de déclarer faillite en raison de l'augmentation des coûts du pétrole [20, 21, 22] et les éléments nécessaires à la construction des réservoirs et cellules à combustibles extrêmement complexes ne seront peut-être plus disponibles. Dans une société qui ressemble de plus en plus à celle que l'on voit dans le Brazil de Terry Gilliam, l'hydrogène sera trop susceptible aux fuites et trop explosible pour la manutention.
Les lois de la physique nous montrent que l'économie basée sur l'hydrogène sera toujours un puits énergétique. Les propriétés de l'hydrogène exigent des dépenses d'énergie pour briser le lien oxygène/hydrogène de l'eau, pour déplacer des voiture très lourdes, pour empêcher les fuites et la fragilisation du métal, pour transporter le combustible à destination.
Tout détournement des combustibles fossiles, de plus en plus rares, vers une économie basée sur l'hydrogène soustrait le potentiel d'énergie de ces combustibles qui pourrait être consacré à d'autres utilisations possibles, comme l'ensemencement, la récolte, la livraison, la cuisson des aliments, le chauffage des maisons et autres activités essentielles. Selon Joseph Romm “Les problèmes énergétiques et environnementaux auxquels la nation et le monde entier doivent faire face, surtout le réchauffement planétaire, sont beaucoup trop graves pour que l'on prenne le risque de graves erreurs politiques en effectuant une mauvaise affectation des ressources limitées [3].
Sources
[1] Michael F. Jacobson Waiter, please hold the hydrogen
[2] Martin I.Hoffert, et al "Advanced Technology Paths to Global Climate Stability: Energy for a Greenhouse Planet" SCIENCE VOL 298, 1 November 2002
[3] Joseph J. Romm - The Hype About Hydrogen: Fact & Fiction in the Race to Save the Climate 2004
[4] Howard Hayden - The Solar Fraud: Why Solar Energy Won't Run the World
[5] D.Simbeck and E.Chang - Hydrogen Supply: Cost Estimate for Hydrogen Pathways - Scoping Analysis- National Renewable Energy Lab
[6] Union of Concerned Scientists
[7] What's in a Gallon of Gas?
[8] David & Marshall Fisher - The Nitrogen Bomb www.discover.com April 2001
[9] Vaclav Smil Scientific American Jul 1997 Global Population & the Nitrogen Cycle
[10] Julian Darley - High Noon for Natural Gas: - The New Energy Crisis 2004
[11] Rocks in your Gas Tank
[12] fill'er up—with hydrogen Mechanical Engineering Magazine
[13] Wade A. Amos - Costs of Storing and Transporting Hydrogen - U.S. Department of Energy Efficiency and Renewable Energy
[14] Omar A. El kebir, Andrzej Szummer - Comparison of hydrogen embrittlement of stainless steels and nickel-base alloys - International Journal of Hydrogen Energy - Volume: 27, Issue: 7-8 July - August, 2002
[15] Fuel Cell Engine Safety - U.S. Department of Energy - Energy Efficiency and Renewable Energy
[16] Dr. Joseph Romm - Testimony for the Hearing Reviewing the Hydrogen Fuel and - FreedomCAR Initiatives, Submitted to the House Science Committee
[17] Ulf Bossel and Baldur Eliasson - Energy and the Hydrogen Economy
[18] Rumble Seat -: Toyota's spark of genius
[20] Jul 02, 2004 Oil prices raising costs of offshoots - By Associated Press
[21] May 24, 2004 Soaring energy prices dog rosy U.S. farm economy
[22] March 17, 2004 Chemical Industry in Crisis: Natural Gas Prices Are Up, Factories Are Closing, And Jobs Are Vanishing
All good news!
Posted by: d. on juin 2, 2005 02:41 PM