Les scientifiques explorent l’hydrogène comme source d’énergie propre pour lutter contre le changement climatique, en se concentrant sur sa production par électrolyse de l’eau et son utilisation dans les piles à combustible pour les transports, conformément à l’objectif de zéro émission nette de carbone d’ici 2050.
Qu’est-ce que l’énergie hydrogène ?
Alors que les effets du changement climatique se font sentir, notre planète est confrontée à des vagues de chaleur record, à des tempêtes sans précédent, à des sécheresses historiques et à des incendies de forêt. Les scientifiques ont lié ces événements aux gaz à effet de serre comme le dioxyde de carbone présent dans l’atmosphère, dont une grande partie est produite par l’activité humaine.
Et si, au lieu de rejeter des gaz à effet de serre nocifs dans l’environnement, nos avions et nos voitures pouvaient fonctionner avec un carburant produit à partir de l’eau, en utilisant l’électricité du soleil ou du vent ? Et si ce carburant renouvelable pouvait fournir une alimentation de secours au réseau électrique et être acheté dans les stations-service à travers le pays ?
Dans cette vidéo Science 101, les scientifiques Debolina Dasgupta et Nancy Kariuki décrivent la science, la technologie et les applications de l'énergie hydrogène. L'hydrogène est l'élément chimique le plus simple, ou type de atome, et une abondance d’hydrogène existe dans l’eau de notre planète. Il est naturellement renouvelé par le cycle de l’eau et lorsqu’il est utilisé comme carburant, il ne dégage aucune émission nocive. Pour ces raisons, l’hydrogène pourrait jouer un rôle majeur en favorisant un environnement plus propre et en réduisant les émissions de gaz à effet de serre dans des secteurs allant des transports au réseau. Les scientifiques du laboratoire national d'Argonne du ministère américain de l'Énergie exploitent des installations et une expertise de classe mondiale pour réduire le coût de production de l'hydrogène et développer des piles à combustible abordables pour les véhicules alimentés à l'hydrogène. Ils évaluent également les méthodes de production, de transport, de stockage et d'utilisation de l'hydrogène afin de minimiser les émissions de gaz à effet de serre.
Les scientifiques s'efforcent de faire de cette vision une réalité en utilisant l'énergie contenue dans l'hydrogène, qui promet de jouer un rôle majeur dans la promotion d'un environnement plus propre et dans la réalisation de l'objectif américain d'atteindre zéro émission nette de carbone d'ici 2050 – en d'autres termes, éliminer le carbone de l'atmosphère. l'atmosphère au même rythme qu'il est émis.
L’hydrogène est l’élément chimique ou le type d’atome le plus simple. Il est constitué d’un seul proton et d’un électron. C'est également l'élément le plus abondant, représentant environ 75 % de la matière connue dans l'univers. De grandes quantités d’hydrogène existent dans l’eau et dans les êtres vivants.
L'hydrogène existe en abondance dans l'eau de notre planète et il est naturellement renouvelé par le cycle de l'eau. Lorsqu’il est utilisé comme carburant, il ne dégage aucune émission de carbone, ce qui en fait une source d’énergie propre prometteuse. Crédit : Laboratoire National d'Argonne
La molécule d’hydrogène, constituée de deux atomes d’hydrogène, peut être utilisée pour produire de l’énergie sans carbone. Les molécules d’hydrogène transportent beaucoup d’énergie ; une livre d’hydrogène contient près de trois fois l’énergie d’une livre d’essence ou de diesel.
Cependant, les molécules d’hydrogène ne sont pas abondantes sur Terre et représentent moins de 0,0001 % de notre atmosphère. Pour cette raison, l’hydrogène doit être produit à partir d’autres substances qui en contiennent. La manière la plus courante de produire de l'hydrogène sans utiliser de combustibles fossiles est de diviser l'eau (H2O) en hydrogène (H2) et l'oxygène (O2) utilisant l'électricité. Ce processus, appelé électrolyse de l’eau, est une option prometteuse pour la production d’hydrogène sans carbone puisque l’électricité peut provenir d’énergies nucléaires ou renouvelables, comme l’éolien et le solaire. Les scientifiques et les ingénieurs s’efforcent d’améliorer et de réduire le coût de l’hydrogène produit par électrolyse de l’eau.
Lors de l'électrolyse, l'eau se divise à l'anode pour former de l'oxygène, des ions hydrogène et des électrons. Un matériau électrolytique laisse passer les ions hydrogène, mais force les électrons à circuler séparément vers la cathode, où les deux se recombinent pour former de l'hydrogène gazeux destiné à être utilisé comme carburant. Crédit : Laboratoire National d'Argonne
Ils développent également des méthodes qui convertissent l'énergie solaire et l'eau directement en hydrogène en exploitant et en imitant des processus biologiques tels que photosynthèse.
Il existe plusieurs façons d’utiliser l’hydrogène comme source d’énergie une fois produit. Le plus important concerne les piles à combustible, qui convertissent l’énergie chimique stockée dans l’hydrogène et l’oxygène en électricité. Contrairement aux moteurs à essence, il n’y a pas d’émissions nocives comme le dioxyde de carbone. Et contrairement aux batteries, les systèmes à piles à combustible ne nécessitent pas de longues périodes d’arrêt pour être rechargés. Ils sont alimentés comme des moteurs à essence, mais avec de l'hydrogène.
L’hydrogène peut être utilisé dans les piles à combustible ou brûlé comme carburant dans les moteurs. Les scientifiques et les ingénieurs travaillent à améliorer ces technologies, qui pourraient remplacer l’utilisation de combustibles fossiles dans les transports et le réseau. Crédit : Laboratoire National d'Argonne
Un type de pile à combustible à hydrogène en cours de développement pour les voitures, les camions, les chariots élévateurs, les bus, les navires et les trains divise les molécules d'hydrogène en électrons et protons. Les électrons sont forcés de circuler dans un circuit électrique, créant ainsi une réserve d’électricité utilisable. Pendant ce temps, les protons sont capables de traverser une membrane, pour finalement se recombiner avec les électrons et réagir avec les molécules d'oxygène de l'air pour produire de l'eau, la seule émission.
Les scientifiques du laboratoire national d'Argonne du ministère américain de l'Énergie exploitent des installations et une expertise de classe mondiale pour faire progresser la science et la technologie de l'hydrogène. Nos chercheurs réduisent le coût de production de l’hydrogène en développant des piles à combustible abordables pour les véhicules fonctionnant à l’hydrogène. Ils évaluent également les méthodes de production, de transport, d’utilisation et de stockage de l’hydrogène afin de minimiser les émissions de gaz à effet de serre.
