L'hydrogène

Publié le 10 mai 2022
 
Potentiellement inépuisable, non-émetteur de gaz à effet de serre… L’hydrogène n’est pas une source d’énergie mais un « vecteur énergétique » : il doit être produit puis stocké avant d’être utilisé. Il pourrait jouer à l’avenir un rôle essentiel dans la transition énergétique en permettant de réguler la production d’électricité produite par les énergies renouvelables intermittentes (solaire et éolien).

L’HYDROGÈNE,
UN VECTEUR ÉNERGÉTIQUE

L’hydrogène est l’élément chimique le plus simple : son noyau se compose d’un unique proton et son atome ne compte qu’un électron. La molécule de dihydrogène (H2) est constituée de deux atomes d’hydrogène. On parle communément d’hydrogène pour désigner en fait le dihydrogène.
    
La combustion d’1 kg d’hydrogène libère presque 4 fois plus d’énergie que celle d’1 kg d’essence et ne produit que de l’eau : 2H2 + O2 -> 2H2O.
L’hydrogène est très abondant à la surface de la Terre mais n’existe pas à l’état pur. Il est toujours lié à d’autres éléments chimiques, dans des molécules comme l’eau, les hydrocarbures. Les organismes vivants (animal ou végétal) sont également composés d’hydrogène. La biomasse constitue donc une autre source potentielle d’hydrogène.
Extraire l’hydrogène de ces ressources primaires que sont les hydrocarbures, la biomasse ou encore l’eau nécessite un apport en énergie. Comme pour l’électricité, on considère ainsi que l’hydrogène est un « vecteur » énergétique.
L’hydrogène pourrait être quasi-inépuisable, à condition de savoir le produire en quantité suffisante à un coût compétitif et, idéalement, à partir d’énergie bas carbone (nucléaire et renouvelables).
On appelle « technologies de l’hydrogène » l’ensemble des technologies étudiées pour produire l’hydrogène, le stocker et le convertir à des fins énergétiques.

PRODUCTION DE L’HYDROGÈNE
Produire l’hydrogène à partir d’hydrocarbures
Aujourd’hui, 95 % du dihydrogène est produit par « vaporeformage » de combustibles fossiles : cette réaction chimique casse les molécules d’hydrocarbures en présence de vapeur d’eau, de chaleur et d’un catalyseur, pour en libérer l’hydrogène. Mais cette méthode a l’inconvénient de produire du dioxyde de carbone.

Produire l’hydrogène à partir d’eau
L’électrolyse permet de décomposer chimiquement l’eau en dioxygène et dihydrogène grâce à l’action d’un courant électrique. Différentes voies d’électrolyse sont étudiées, avec l’hypothèse d’une électricité d’origine nucléaire ou renouvelable. La quantité d’énergie électrique nécessaire à l’électrolyse dépend des conditions de pression et de température du procédé utilisé. De façon générale, la recherche porte sur des matériaux performants et bon marché pour réaliser des électrolyseurs.
    
Produire l’hydrogène à partir de la biomasse
La biomasse (bois, paille, etc.) pourrait constituer une source potentielle importante d’hydrogène : la gazéification à la vapeur d’eau de cette biomasse génère un mélange appelé « gaz de synthèse », constitué principalement de monoxyde de carbone et de dihydrogène, que l’on purifie ensuite pour éliminer les polluants. Cette solution permet d’obtenir un bilan effet de serre quasiment neutre car le dioxyde de carbone émis par la combustion du monoxyde de carbone est équivalent à celui qui aurait été dégagé par la dégradation de la biomasse si elle n’avait pas été gazéifiée. On cherche aussi à faire produire de l’hydrogène par des microalgues ou des bactéries qui utilisent la lumière et des enzymes spécifiques : les hydrogénases. Une voie de recherche prometteuse consiste à mimer chimiquement ces réactions, pour développer des réacteurs bio-inspirés de production d’hydrogène.

Extraire l’hydrogène de gisements sous-marins
Enfin, une autre approche vise à exploiter des sources d’hydrogène naturel. L’existence de gisements le long des chaînes volcaniques sous-marines est connue mais ceux-ci sont inatteignables. Aujourd’hui, les chercheurs s’intéressent plutôt à la géologie de certaines couches « terrestres » qui dégazeraient et accumuleraient en leur sein de l’hydrogène.

STOCKAGE DE L’HYDROGÈNE
L’hydrogène ne peut jouer son rôle de vecteur d’énergie que si l’on peut le stocker efficacement, à moindre coût et dans des conditions de sécurité acceptables.
A température ambiante et pression atmosphérique, l’hydrogène se présente sous forme de gaz très volatile, en raison de la petite taille de sa molécule. L’enjeu est de créer des réservoirs compacts et à bas coût.
Différents modes de stockage sont étudiés.
Lorsqu’il n’est pas nécessaire de réduire le volume de stockage (par exemple, pour des applications stationnaires), on peut l’envisager sous forme gazeuse à une pression relativement basse (75 bars). Ce moyen de stockage est peu coûteux et parfaitement maîtrisé.
Le stockage sous forme liquide à basse pression est actuellement principalement réservé à certaines applications de très hautes technologies comme la propulsion spatiale. Il permet de stocker de grandes quantités d’hydrogène dans un volume restreint. Les réservoirs actuels conditionnent l’hydrogène à – 253 °C sous 10 bars. Mais il est impossible d’éviter les fuites : même très bien isolés, les réservoirs absorbent de la chaleur qui vaporise lentement le liquide.
Afin d’atteindre une compacité satisfaisante tout en évitant les inconvénients liés aux très basses températures du stockage à l’état liquide, on cherche à développer le stockage à l’état gazeux sous haute pression (700 bars). Il s’agit de concilier imperméabilité, résistance aux hautes pressions et résistance aux chocs en travaillant sur une architecture et des matériaux adaptés au réservoir.
Enfin, une voie de recherche plus récente porte sur l’utilisation de matériaux appelés hydrures qui ont la capacité d’absorber et désorber l'hydrogène de manière réversible, sous condition de température (stockage « solide »). Le stockage dans les hydrures est le moyen le plus efficace pour obtenir une forte densité volumique d'énergie. Mais cela se fait au détriment du poids, puisqu’il faut ajouter au bilan le poids du matériau dans lequel l'hydrogène s'insère.
Selon l’utilisation visée de l’hydrogène, les critères de coût, performance, compacité ou poids de ces différentes technologies sont arbitrés.

UTILISATION DE L’HYDROGÈNE
Le développement de la filière hydrogène repose en partie sur la technologie de la pile à combustible. Le principe de la pile à combustible est l'inverse d'une électrolyse. La réaction chimique produite par l'oxydation et la rencontre du dihydrogène et du dioxygène produit de l'électricité, de l'eau et de la chaleur.
Il existe plusieurs types de piles à combustible qui se différencient par leur électrolyte. Celui-ci définit la température de fonctionnement et donc les applications. La R&D porte actuellement sur les améliorations techniques (compacité, rendement énergétique, résistance à l’usure, fonctionnement sur de nombreux cycles…) ainsi que sur la baisse des coûts de production.

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Les événements climatiques extrêmes

Publié le 13 juillet 2022
 
« Ouragan du siècle », « Canicule extrême » ou encore « Événement Cévenol ». Depuis quelques années, ces termes sont à la une des médias face à la survenance de phénomènes météorologiques extrêmes. Ces événements de nature très variée, le plus souvent inattendus et violents, nous semblent survenir bien plus fréquemment. Mais est-ce vraiment le cas ? Et si oui, peut-on établir un lien avec le réchauffement climatique ?

LES EXTRÊMES MÉTÉOROLOGIQUES
Même parmi les scientifiques, la notion d’événement météorologique extrême reste difficile à définir. En effet, statisticiens, physiciens et spécialistes des sciences sociales ont chacun leur définition d’événement météorologique extrême. Bien que ces trois définitions soient complémentaires, elles ont chacune une dimension propre.
Pour les statisticiens, un extrême sera nommé ainsi si une mesure (température, vitesse du vent) dépasse les valeurs communément rencontrées. Ce sont les chiffres qui déterminent si oui ou non un événement est extrême.
Une seconde définition est donnée par les physiciens : l’extrême correspond à une catégorie d’événement (cyclone tropical, tempête extra-tropicale, vague de chaleur, sécheresse, etc.) qui dépend de la région et de sa description phénoménologique.
Enfin, les spécialistes des sciences sociales définissent l’événement par les dégâts causés. En ce sens, un événement sera dit extrême lorsqu’il touche la société. Un événement aura plus tendance à être qualifié d’extrême dans ce cas que s’il se déroulait dans un lieu sans habitation (par exemple dans le désert) car il n’est à l’origine ni de dégât matériel, ni de perte humaine. Aussi, un événement climatique sera considéré comme extrême s’il se déroule dans un lieu où la population n’est pas habituée à se protéger contre un type d’événement particulier. Par exemple, en France, la population est moins habituée à recevoir beaucoup de chutes de neige, contrairement au Canada où la population est préparée et habituée à faire face à ce type d’événement.
Les critères de détermination d’un événement extrême  diffèrent en fonction du lieu. Par exemple, on parle de canicule à Toulouse quand pendant au moins trois jours, les températures la nuit sont au-dessus de 21 °C et quand en journée les températures dépassent les 36 °C. Alors qu’à Brest, une canicule est avérée si pendant au moins trois jours il fait plus de 16 °C la nuit et plus de 28 °C en journée.
Météorologie ou climat ?

*         Le météorologue s’intéresse à ce qui va se passer, ou ce qui s’est passé, tandis que le climatologue veut savoir ce qui peut se passer ou ce qui aurait pu se passer.
*         De ce fait, les prévisions météo vont des prochaines heures aux prochains jours, tandis que les climatologues ont besoin de se placer dans les temps longs pour tracer des tendances générales, en balayant les données du passé et les scénarios du futur.
*         Cette différence a également un impact bien concret sur nos vies : consulter la météo nous permet de déterminer « comment vais-je m’habiller demain ? », alors que se renseigner sur le climat nous aide à répondre à la question : « comment vais-je construire ma maison ? ».

Classement des extrêmes météorologiques
Les extrêmes météorologiques peuvent se classer en deux catégories en fonction de leur durée : des phénomènes longs persistant plusieurs semaines ou plusieurs mois (telle une sécheresse) et d’autres, souvent très intenses, dont la durée se limite à quelques heures voire quelques jours.

LES ROUAGES DES EXTRÊMES MÉTÉOROLOGIQUES
Les mécanismes des extrêmes météorologiques sont complexes. Par exemple, la canicule de l’été 2003 est la conséquence de mouvements de masses d’air sur une très vaste étendue spatiale (plusieurs milliers de kilomètres de rayon). Les conditions à réunir pour provoquer une vague de chaleur sont multiples et peuvent être annulées par quelques jours de précipitations. D’où l’extrême difficulté à prévoir leur occurrence quelques semaines à l’avance même s’il est clair qu’une augmentation des températures augmente le risque de survenue des canicules.
L’apparition des autres phénomènes climatologiques extrêmes (vagues de froid, tornades, tempêtes, etc.) est la résultante également de multiples facteurs et de leurs interactions, qu’il peut être très compliqué de modéliser et de prévoir.

COMPRENDRE LE PASSÉ POUR DÉTERMINER LES CAUSES DES PHÉNOMÈNES CLIMATIQUES EXTRÊMES

L’étude du climat du passé est l’une des pistes qui permet aux scientifiques d’établir un lien entre les extrêmes météorologiques (sécheresse, vagues de froid par exemple) et l’évolution des températures moyennes.
Certains historiens comme E. Le Roy Ladurie se sont penchés sur les archives, à la fois nationales mais aussi parfois très localisées et détaillées telles que des registres paroissiaux, dans lesquelles on trouve la trace de certains événements météorologiques ayant particulièrement marqué la population (tempêtes, épisodes de chaleur ou de froid, destruction de bâtiments, récoltes dévastées, etc.). La description des effets et des dégâts causés donne une approximation du niveau de violence de ces phénomènes subis par nos ancêtres. Des documents relatent que la sécheresse était particulièrement redoutée par les sociétés rurales car celle-ci mettait en danger les récoltes. Cette frayeur de la sécheresse était si grande que des processions pro pluvia s’organisaient pour implorer l’arrivée de la pluie.
Grâce à ces données et à celles que l’on peut analyser aujourd’hui (analyse de cernes de croissance des arbres, carottes glaciaires etc.), les chercheurs peuvent en savoir plus sur les événements extrêmes du passé et ainsi les comparer à ceux d’aujourd’hui. Par exemple, des historiens suisses (O. Wetter et C. Pfister) ont reconstruit, après avoir étudié de nombreuses archives, une canicule potentiellement pire que celle de 2003 qui aurait touché l’Europe… en 1540.

QUEL LIEN AVEC LE RÉCHAUFFEMENT CLIMATIQUE ?

Aujourd’hui, certains extrêmes météorologiques sont liés à la température moyenne du globe, et à son augmentation en raison du réchauffement climatique. Si le lien n’est pas encore totalement élucidé et fait l’objet de nombreux débats scientifiques, il est bien possible, dans certains cas, d’affirmer que le réchauffement climatique est responsable de l’augmentation de l’intensité des précipitations de pluie et de neige. Ceci s’explique par la relation thermodynamique de Clausius-Clapeyron, qui dit que la quantité d’eau sous forme de vapeur présente dans l’atmosphère augmente avec la température.
Ce phénomène se ressent notamment au sud de l’Italie où des vagues de froid entraînent d’importantes précipitations neigeuses depuis le début des années 2000, alors que l’on sait que par le passé il ne neigeait pas autant dans cette région. La mer Méditerranée étant plus chaude, elle crée une évaporation d’eau qui vient ensuite se transformer en chutes de neige une fois sur les terres. Le cycle de l’eau se voit impacté par le réchauffement climatique. 

    
Mais le réchauffement climatique n’a, a priori, aucun effet sur le déclenchement des cyclones. On constate d’ailleurs que le nombre de tempêtes extratropicales et de cyclones tropicaux n’a pas augmenté au cours des dernières décennies. Cependant, le réchauffement climatique participe à l’augmentation des précipitations survenues pendant les cyclones (c’est la relation de Clausius-Clapeyron).
En revanche, l’augmentation du nombre de canicules est clairement corrélée au réchauffement climatique. En effet, il y a plus de canicules au 21e siècle qu’au début du 20e siècle.  L’explication de cette corrélation est toujours débattue.
La question du lien entre réchauffement climatique et la multiplication des événements climatiques extrêmes enregistrés par les météorologues ne trouve donc pas de réponse définitive ni absolue. Elle diffère selon le type d’événement concerné. Si elle ne fait guère de doute pour certains événements, pour d’autres, elle nécessite encore de nombreuses données avant d’établir un éventuel lien de causalité.

Le lien entre le développement de nos connaissances sur le climat et la prévision des impacts météorologiques extrêmes reste un défi posé aux scientifiques s’intéressant au climat. Cela nécessite un travail en étroite collaboration entre des disciplines qui se sont ignorées pendant des décennies. Plusieurs initiatives nationales et internationales comblent ces fossés, entre sciences du climat, droit, économie et sciences sociales d’une manière générale.

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La fusion nucléaire

Publié le 8 février 2015

La fusion nucléaire est une réaction physique qui se déroule au cœur des étoiles : des noyaux atomiques fusionnent, dégageant l’énergie à l’origine de la lumière et de la chaleur qu’émettent les étoiles. Les quantités d’énergie libérée sont très importantes, ce qui pousse les scientifiques à chercher le moyen d’exploiter la fusion comme nouvelle source d’énergie durable, puisque les matières premières nécessaires sont pratiquement illimitées.

LE PRINCIPE PHYSIQUE
Le noyau des atomes est composé de neutrons et protons, qui tiennent ensemble grâce à la force la plus intense de la nature : l’interaction forte, responsable de « l’énergie de liaison nucléaire ». Cette énergie peut être libérée de deux façons :
*         soit en cassant des noyaux lourds : c'est ainsi que fonctionne une centrale nucléaire actuellement ;
*        
*         soit en fusionnant des noyaux légers : ce qui se passe dans les étoiles

Dans des conditions de température extrême (des millions de degrés Celsius), la matière se présente sous forme de plasma : ni solide, ni liquide, ni gazeuse, la matière est comparable à une « soupe » où noyaux et électrons ne sont plus liés, ils circulent librement. Lorsque deux noyaux « légers » se percutent à grande vitesse, ils peuvent fusionner, créant un noyau plus lourd : c’est la fusion nucléaire. Durant l’opération, une partie de l’énergie de liaison des composants du noyau est libérée sous forme de chaleur ou de lumière.
Dans le cœur des étoiles, ce sont deux noyaux d’hydrogène, composés uniquement d’un proton, qui fusionnent pour donner un noyau plus lourd : l’hélium dont le noyau contient deux protons et un ou plusieurs neutrons. Dans le Soleil, cette transformation se déroule en plusieurs étapes. Sur Terre, pour récupérer de l'énergie, les scientifiques tentent d’utiliser la fusion de deutérium et de tritium, deux isotopes de l’hydrogène (noyaux contenant un proton et un ou deux neutrons). Cette réaction donne elle aussi naissance à un noyau d'hélium très chaud, et libère un neutron de grande énergie.

ENJEU :
CRÉER ET MAINTENIR
UN PLASMA DE FUSION SUR TERRE
Pour imaginer récupérer de l’énergie à partir de la fusion nucléaire, il faut être capable de créer des conditions physiques similaires à celles des étoiles, et atteindre des températures de 150 millions de degrés (dix fois la température interne du Soleil). Ce défi scientifique et technologique posé aux chercheurs représente un important enjeu stratégique : la fusion pourrait devenir une nouvelle ressource d’énergie illimitée, sans risque majeur, et sans déchets hautement radioactifs à stocker.

ZOOM SUR...
Le tokamak
À la fin des années 1960, la communauté scientifique - à commencer par les scientifiques russes, qui furent précurseurs - est parvenue à développer une machine capable de contenir le plasma dans une enceinte fermée et à le chauffer pendant une fraction de seconde : le tokamak.
En forme d'anneau (ou « tore »), les particules qui y sont injectées subissent des champs magnétiques si intenses qu’elles restent maintenues dans la partie centrale de l’anneau, sans contact avec les parois. Leur chauffage est assuré par différents moyens : l’injection de matière chaude et le chauffage par ondes sont les plus utilisés actuellement. Il existe d’autres façons de faire la fusion, par exemple en employant des faisceaux lasers intenses qui compressent une microbille contenant le mélange deutérium-tritium.


R&D :
AMÉLIORER LES TECHNOLOGIES
POUR RÉUSSIR À METTRE
LE SOLEIL EN BOÎTE
De nombreux organismes de recherche, à travers le monde, étudient la fusion. L’expérience d’envergure de cette thématique, le projet Iter, requiert des partenariats internationaux, pour compléter les expérimentations menées à plus petite échelle à travers le monde.
Le but du réacteur est de pouvoir récupérer en continu suffisamment de puissance issue des réactions de fusion pour assurer, d’une part, le fonctionnement du réacteur et, d’autre part, la fourniture en électricité.
Le CEA, au sein d’Euratom, dispose d’un tokamak : Tore Supra, devenu West, situé sur le centre de Cadarache. Tore Supra a fonctionné de 1988 à 2013. Cette machine, dans le contexte européen, avait pour objectif l'étude de plasmas en régime permanents, c'est-à-dire sur plusieurs dizaines -voire centaines- de secondes. Pour cela de nouvelles technologies y ont été déployées :
*         l’utilisation de « câbles supraconducteurs », pour créer des aimants qui vont confiner le plasma en continu ;
*        
*         l’utilisation de micro-ondes pour chauffer et générer du courant dans le plasma ;
*        
*         la mise en place d’éléments de première paroi situés immédiatement autours du plasma refroidis et capables de supporter de haut flux de chaleur.

Tore Supra détient le record du monde de durée d’un plasma performant (c’est-à-dire représentant un certain niveau de température et de densité), parfaitement maîtrisé, pendant 6mn30. La machine européenne JET, la plus grande du monde, située à Culham (Angleterre), à laquelle participe les équipes du CEA, détient quant à elle le record mondial de « puissance fusion » (16 MégaWatt pendant 1s, 1 mégawatt correspond à près de vingt mille ampoules allumées en même temps). Tous les résultats innovants fournis par ces machines ont été intégrés dans la construction du tokamak Iter.
De par sa configuration particulière, notamment le refroidissement « actif » des composants, Tore Supra a constitué une base unique d’expérimentation des composants face au plasma. Le projet WEST a consisté à modifier, entre 2013 et 2016, Tore Supra pour en faire une plateforme unique de tests pour ce composant « critique » du tokamak ITER, le divertor tungstène activement refroidi.
De par sa nouvelle configuration magnétique, ses équipements spécifiques et son environnement entièrement métallique, WEST va tester des composants en tungstène, identiques à ceux que l’on installera sur ITER. En effet, si la température et la densité au cœur du plasma de WEST sont plus faibles que dans ITER, les conditions à la périphérie du plasma sont très similaires, avec des flux de chaleur et de particules dans le divertor pouvant atteindre 20 MW / m2 – soit dix fois plus intenses que ce que subit le bouclier d’une navette spatiale à son entrée dans l’atmosphère. WEST permettra également d’explorer les problématiques de physique des plasmas sur des longues durées en environnement tungstène.

ET DEMAIN ?
Jusqu’à maintenant, les recherches menées ont permis aux scientifiques de mieux comprendre les plasmas, de les maîtriser et d’en augmenter les performances énergétiques. Ces thématiques regroupent aussi bien l’infiniment petit (compréhension du comportement de la matière qui nous entoure) que l’infiniment grand.
Le Tokamak international Iter, à proximité du centre CEA de Cadarache, est une nouvelle étape qui succède à une longue lignée de machine. Elle est la première installation à réunir toutes les conditions pour obtenir et étudier un plasma en combustion, c’est-à-dire d’un plasma dominé par les réactions de fusion. La suite, avec la conception de futurs réacteurs comme Demo, en intégrant de nouveaux concepts de matériaux de bord et la fourniture de tritium in situ, devrait mener, en délivrant pour la première fois du courant électrique, à la naissance d’une nouvelle filière énergétique : l’énergie nucléaire de fusion.
Les défis technologiques posés par la fusion nucléaire sont énormes : le cryomagnétisme, le contrôle-commande du plasma et de la machine en temps réel ; concevoir des matériaux de paroi capables de supporter des hauts flux de chaleur et la percussion de neutrons ; intégrer à ces matériaux du lithium, pour assurer l’auto-alimentation du réacteur…
Afin de développer une exploitation industrielle de la fusion, les limites, risques ou verrous technologiques à surmonter pour la construction de réacteurs à fusion sont déjà identifiés : la maintenance de l’ensemble, le vieillissement, la tenue des matériaux de structures et la gestion des déchets radioactifs de la première paroi…
De nature différente, toutes ces problématiques sont déjà présentes dans la filière nucléaire actuelle (qui exploite la fission nucléaire), et déjà en cours d’étude pour une exploitation industrielle de la fusion nucléaire. Diversifier nos ressources énergétiques permettra ainsi d’assurer l’approvisionnement énergétique des pays et de trouver des alternatives aux énergies fossiles carbonées (pétrole, gaz, charbon…), qui constituent encore l’essentiel de l’énergie consommée sur Terre.

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L'ORDINATEUR  QUANTIQUE

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