L'énergie : Un débat bien vigoureux
Jacques CHERON, Expert BPI, Eurostars,Commission Européenne



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Il était une fois l’homme qui utilisa d’abord sa force physique à la chasse, à la guerre, pour l’agriculture. L’éclairage provenait d’une lampe à huile, le transport facilité par l’animal (et la prodigieuse invention de la roue), la marine à voile. La cuisson se faisait au bois ou à la bouse séchée, le chauffage au bois ou à la tourbe. Le soleil, le vent, les pluies, les marées faisaient bien leur travail.

Puis vinrent de très rapides mutations. Les populations se sont regroupées en formant villages, villes, et mégalopoles. Les scientifiques ont décrypté les lois de la thermodynamique, de la chimie, de l’électricité, du magnétisme, de l’optique physique, de la radioactivité naturelle et artificielle, de la géophysique, etc ...
Et de tout ceci ont découlé de très nombreuses utilisations intensives de ressources énergétiques gisant sous nos pieds, principalement charbon hydrocarbures et plus récemment uranium. Notre quête du savoir reste néanmoins toujours présente et des avancées restent possibles comme le montre le récent exemple de l’éclairage par LED.
Submergé par tous ces développements spectaculaires (avions, automobiles, téléphones portables, internet, micro-ondes, LED, IRM) l’homme d’aujourd’hui s’interroge. Où allons-nous ? Et comme l’énergie est un « bien » que chacun veut obtenir, chacun a son idée, sa proposition pour l’évolution future de l’énergie. Ce qui nourrit un débat passionné car tous peuvent y prendre part.

Je n’échapperai donc pas à ce débat. Adoptons cependant une analyse « dépassionnée »: la source, et l’utilisation.
Pour la source cela devrait être rapide, puisque de façon simplifiée il n’y en a que trois : le nucléaire du soleil, le nucléaire terrestre et la gravité terrestre pour ce qui nous concerne. Cette dernière nous la subissons sans l’enlever ni la déplacer, nous pouvons l’utiliser sur place (chutes hydrauliques). Ceci n’est pas objet de débat.

Le nucléaire terrestre nous chauffe partiellement et nous fournit des sources et ressources radioactives et géothermiques. La nocivité des rayonnements radioactifs restreint cette ressource à des procédés de production et d’utilisation bien déterminés (applications militaires, médicales et énergétiques de masse). Le débat (il y en a un) s’est déplacé sur la maitrise et la protection de ces rayonnements, mais on n’imagine pas encore de bloquer le réchauffement de la radioactivité terrestre.

Pour la seconde source primaire nucléaire  : le soleil, le débat est plus vif du fait de la multiplicité de ses nombreuses déclinaisons pratiques.
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Nous ne maîtrisons pas l’énergie que le soleil nous envoie. Mais on peut réfléchir à celle que nous recevons tous les jours et on suppose que cela continuera de façon semblable pendant encore un certain temps (qui peut garantir que dans 8 minutes le soleil ne va pas se fracturer en plusieurs morceaux : ce qui aurait de nombreux inconvénient fâcheux pour nous). Cette énergie est énorme (en une heure le soleil nous envoie l’équivalent d’une année de consommation totale d’énergie des hommes) et elle est utilisée heureusement d’abord par la nature : biomasse, éclairage naturel du jour, évaporation des océans et phénomènes météorologiques. Nos moyens humains ne sont pas à la hauteur des énergies mises en jeu.

Que faire de l’énergie passée que le soleil a « stockée » depuis des millénaires (charbon, hydrocarbures) et de la fraction d’énergie solaire instantanée que nous pourrions stocker en court terme, transformer et utiliser (éolienne, photovoltaïque, hydraulique, courants marins et marées etc ...) sans trop perturber la machine soleil-terre, en maintenant un effet de serre vital mais à ménager. Car l’homme de nos jours est capable transformer l’énergie en divers supports: électrique, magnétique, cinétique, thermique, potentielle, chimique… la liste est longue. Pratiquement il est possible de passer d’une forme à l’autre, mais souvent avec dégradation (3° principe). Et cela commence à ouvrir le débat.

Deux formes d’énergie mériteraient d’être beaucoup plus stockable : la chaleur et l’électricité. Et nous butons dans ces deux domaines. Qui n’a pas rêvé par les trop chaudes journées d’été de conserver de cette chaleur pour l’hiver à venir. Nos amis canadiens y ont largement pensé mais la réponse du « puits canadien » n’est que partiellement satisfaisante. De plus, selon la température de cette chaleur, les techniques sont différentes. La physico chimie nous apprend que les changements de phase devraient être la meilleure voie. Reconnaissons que nous sommes bien pauvres devant l’ampleur des énergies à stocker. Les recherches doivent continuer sur ce sujet du stockage de la chaleur.

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Il reste ce qu’il est convenu d’appeler aujourd’hui les ENR dites énergies nouvelles renouvelables. Elles ne sont pas nouvelles, ce qui est nouveau c’est l’intérêt qu’elles suscitent dans le grand public et le milieu politique.
Partant du principe qu’un gisement s’épuise (tant qu’on ne le renouvelle pas de la même quantité) et que d’autre part le CO2, résultat final de toute combustion, est nuisible en quantités trop importantes, nos réflexions se portent vers des ressources dites « vertes ».
L’objectif est une transformation de l’énergie solaire (sous une de ses nombreuses formes) en une énergie « idéale » c'est-à-dire non carbonée, facilement transportable et stockable. La fée électricité semblait le candidat idéal. Le vent, sous-produit de l’énergie solaire, peut entrainer une éolienne, les chutes d’eau alimentées par les nuages, sous-produits du solaire également, et même directement le rayonnement solaire par un panneau photovoltaïque.
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Eurêka ! On aurait le bon vecteur énergétique ; pas de carbone et transportable d’un bout à l’autre de la planète en une fraction de seconde. Sauf que l’histoire nous enseigne que chaque énergie se développe essentiellement par ses caractéristiques de transport ; l’électricité se transporte vite et en forte puissance, mais par des câbles, sortez l’électricité de ses câbles et les problèmes arrivent, il lui faut un réseau. Le gaz naturel ou de synthèse est également bridé par la nécessité de le distribuer en grandes quantités par réseau. Sortez un gaz de son réseau tubulaire et les ennuis arrivent. Y compris pour l’hydrogène. Le pétrole et le charbon sont des produits carbonés, mais peuvent se distribuer en bidons ou en vrac. De là viennent leur succès économiques. Le bois également, mais dans une moindre mesure, car son contenu énergétique est plus faible, la distance de collecte-ramassage est de quelques dizaines de kilomètres.

Comment donc utiliser correctement l’électricité « verte » ? La première réponse est un usage local en auto consommation, trop peu développé. Si on veut profiter de cette énergie largement répartie sur le territoire pour l’amener aux lieux de consommation, on peut la connecter à un réseau ; ce qui se pratique déjà, mais on peut également tenter de la stocker. De nouveau, on se heurte à cette propriété du piètre stockage de l’électricité. Capacités et batteries existent depuis des années, mais ne satisfont pas les objectifs requis. Les capacités et super capacités modernes sont très rapides, mais ne peuvent stocker que peu d’électrons. Les batteries qui associent les charges électriques à de la matière (ions), sont bridées par la présence même de la matière qui peut être mise en mouvement et/ou se modifier. En conséquence, les batteries seront limitées par leur poids important et leur dégradation inévitable lors du cycle charge-décharge. On tente de limiter cette dégradation en pratiquant des recharges très lentes pour permettre à la matière de reprendre au mieux sa place d’origine. Mais est-ce compatible avec des usages qui nécessitent un transfert rapide d’énergie comme les moyens de transport ? Le débat est largement ouvert, en particulier pour le véhicule tout électrique dont l’autonomie est faible comparée à celle de véhicules à combustibles liquide (essence, gasoil).

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Le stockage d’électricité sous forme de réservoirs d’eau et turbines est largement connu, et en Europe du moins, la plupart des sites qui s’y prêtent sont utilisés. Production et stockage ne sont donc pas réalisés au même endroit ce qui nécessite des transports d’un point à l’autre.
Pour un stockage local de l’électricité, un vecteur paraît offrir un certain nombre d’avantages. Il s’agit de l’hydrogène dont on vante la très forte énergie par unité de masse, en occultant la masse de son conteneur et sa faible énergie par unité de volume ce qui le rend encombrant.
Sa production en site isolé peut se réaliser par électrolyse de l’eau (autre que celle directement du robinet). Ne pas oublier que cette dissociation génère de l’oxygène qu’il n’est pas toujours aisé de valoriser. Le débat s’amplifie ensuite sur l’usage de l’hydrogène car c’est un gaz spécial. Très léger, il fuit facilement ou même traverse certaines parois métalliques qu’il peut également fragiliser. Avec l’air il forme des mélanges détonants et surtout il est très encombrant. Un kilogramme d’hydrogène qui a le même contenu énergétique que 3 kg d’essence, s'il est à l’atmosphère ordinaire occupera un volume de 11200 litres à comparer aux 3 litres d’essence. Pour retrouver la même compacité que les carburants liquides, il faudrait le comprimer à 3733 bars, pression énorme, ou bien le liquéfier à près de -253°C, là il occupe encore un volume de 14,3 litres (hors container).
Le stockage sous forme liquide n’étant pas performant des recherches ont été menées pour le stocker sous d‘autres formes : solide et chimique.
Sous forme solide, de nombreux types d’hydrures réversibles ont été étudiés avec des performances moyennes en termes de compacité et de poids avec de surcroit la nécessité de récupérer l’hydrogène en chauffant l’hydrure parfois jusqu’à 10% du contenu énergétique ce qui est trop important.
Sous forme chimique CH4 et NH3 sont de bons candidats, mais la toxicité de NH3 l’élimine des utilisations domestiques.

On aboutit donc à 3 solutions pour l’électricité provenant d’énergie renouvelable :

  • La première est d’utiliser immédiatement l’électricité produite : soit en auto consommation ; soit via un réseau local ou national.
  • La seconde est de synthétiser du CH4 par réaction sur le C02. En pratique, cela conduit à transformer l’électricité en un gaz combustible, le retour du méthane en électricité étant de trop faible rendement.
  • La troisième est de stocker sous forme hydrogène (liquide, sous pression ou en hydrure) et de reconstituer l’électricité via une pile à combustible. On conçoit aisément que cette cascade de transformations possibles aboutit à un rendement global bien médiocre.

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Cependant tous ces obstacles n’éliminent pas le candidat hydrogène car d’autres atouts existent. Pour des besoins industriels on sait produire de grandes quantités d’hydrogène à partir du gaz naturel ou par électrolyse. De ce fait si de grosses unités et des petites unités dispersées produisent le même produit on peut imaginer de créer une « civilisation de l’hydrogène ». Des essais ont montré que des moteurs de voiture (avec modifications) peuvent fonctionner à l’hydrogène, des piles à combustible embarquées peuvent alimenter des véhicules électriques, des réseaux de gaz naturel peuvent accepter un mélange CH4 et hydrogène appelé hytane.

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Aujourd’hui les constats sont donc :

Au niveau du stockage de l’hydrogène, volumineux et lourd, les possibilités d’amélioration apparaissent limitées. Et au niveau récupération de l’hydrogène sous forme électrique, on se heurte aux problèmes spécifiques de la pile à combustible. Pour ce dernier composant, le bilan des travaux se résume en 3 filières, chacune ayant ses avantages et inconvénients :

  • La première filière (basse température, électrolyte basique) ne permet pas de bonnes performances des électrodes et rend le système volumineux. Mais ce type de pile peut fonctionner jusqu’à –30 °C (essais IFP de l’année 1970).
  • La seconde filière (moyenne température 80°C, électrolyte acide) a le mérite d’être plus compacte et de ne pas contenir d’élément liquide, mais nécessite un catalyseur à base de platine, rendant onéreuse cette pile et extrêmement sensible à la moindre présence de CO dans les gaz entrants.
  • La troisième filière (haute température, « mangetout » y compris le CO) ne fonctionne qu'au dessus de 600 à 800 °C, ce qui entraine des problèmes de tenue des matériaux dans le temps.

En fait, pour déplacer les hydrocarbures à la manipulation et logistique si aisées, il faut mettre au point d’une part une chaîne de production-distribution-stockage de l’hydrogène capable de transférer autant d’énergie, d’autre part des piles à combustible compactes et pas trop onéreuses. Il me semble que le premier challenge est celui qui débloquera la situation.

Pour résumer, si l’hydrogène devient effectivement un vecteur énergétique de demain, la pile suivra d’elle même rapidement, inversement la mise au point de la pile à combustible n’est pas suffisante pour nous faire basculer dans une « civilisation de l’hydrogène ».



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