Potentiellement inépuisable, l’hydrogène (H) est utilisé comme un vecteur d’énergie, et non comme une énergie à proprement parler. C’est le premier atome sur la table de Mendeleïv. C’est aussi l’élément le plus léger, le plus simple et le plus abondant de l’univers. Composant principalement les étoiles et les planètes gazeuses, il se trouve rarement à l’état pur. Dans des conditions normales, il se compose d’un électron et d’un proton (H.). Il existe également sous une forme moléculaire dite diatomique. S’agissant de l’hydrogène moléculaire également connu comme le dihydrogène, il n’existe pas à l’état naturel. Il faut le produire à partir de sources d’énergie telles que l’eau, le gaz naturel ou la biomasse. A l’avenir, l’hydrogène moléculaire pourrait jouer un rôle essentiel dans la transition énergétique.
Qu’est-ce que le hydrogène moléculaire et où le trouver ?
L’hydrogène moléculaire (ou molécule d’hydrogène), également appelé dihydrogène, diatomique ou tout simplement hydrogène, est la forme première dans laquelle se trouve l’hydrogène. En ce sens, deux atomes d’hydrogène sont liés chimiquement par deux électrons (H2). Du fait qu’il y ait deux atomes d’hydrogène, nous parlons d’hydrogène diatomique, « di » signifiant « deux ». La liaison covalente des deux atomes d’hydrogène forme la molécule d’hydrogène. Contenant deux protons et deux électrons, il s’agit d’une molécule neutre chargée.
Dans sa forme gazeuse (dihydrogène), l’hydrogène moléculaire est incolore, inodore, insipide, non polluant, non métallique, mais hautement inflammable et très explosif si sa concentration dépasse les 4,6 %. Sa légèreté en fait un gaz qui se libère naturellement de l’atmosphère. Ainsi, nous le retrouvons uniquement sous forme de traces dans l’air. Sa rareté dans l’atmosphère implique que la plupart du dihydrogène est produit de façon industrielle selon des procédés chimiques. Mais dans certains contextes géologiques, le dihydrogène jaillit naturellement de la terre. Dans ces cas, il est appelé « hydrogène naturel ».
L’hydrogène moléculaire se retrouve principalement dans l’eau et les hydrocarbures (le gaz, le pétrole ou le charbon). En effet, suivant la formule H2O, la molécule d’eau est constituée de deux atomes d’hydrogène et d’un atome d’oxygène. Quant aux hydrocarbures, ils sont exclusivement constitués d’atomes de carbone (C) et d’hydrogène (H). D’où leur formule brute CnHm. Le méthane, dont la formule est CH4, est l’hydrocarbure dont la combinaison d’atomes est la plus simple.
Comment produire la molécule d’hydrogène ?
La production du dihydrogène fait appel à de nombreuses techniques : le vaporeformage à partir d’hydrocarbures, l’électrolyse de l’eau et la gazéification. Chaque procédé permet d’extraire l’hydrogène de la ressource primaire. L’hypothèse d’une extraction de l’hydrogène actif est aussi envisagée.
1 – Le vaporeformage par hydrocarbures
C’est la technique de production d’hydrogène la plus répandue. Il s’agit du reformage du méthane (CH4) avec de la vapeur d’eau. (H2O) Le méthane subit une hydrodésulfuration, un procédé permettant d’extraire les molécules de souffre qu’il contient. Combiné à la vapeur d’eau, les molécules purifiées produisent du dihydrogène et du dioxyde de carbone (CO2). Il est possible de capter et de stocker le dioxyde de carbone émis par ce procédé pour en faire de l’hydrogène décarboné. Pour éviter la production du dioxyde de carbone, la meilleure solution consiste à utiliser du biométhane (issu de la fermentation de la biomasse) à la place du méthane.
2 – L’électrolyse de l’eau
Cette méthode permet de produire de l’hydrogène par décomposition de l’eau. Par ce procédé, les atomes d’oxygène et d’hydrogène sont séparés des molécules d’eau par l’action d’un courant électrique ou par la succession de réactions chimiques (pour les cycles thermochimiques). 2 à 3 fois plus chère que le reformage du méthane, l’électrolyse de l’eau est réservée à des usages spécifiques qui requièrent un niveau de pureté élevé. Cependant, c’est une alternative pour stocker massivement des énergies renouvelables et intermittentes sans émission de carbone. Actuellement, différents modes d’électrolyse sont étudiés, avec l’hypothèse d’une électricité renouvelable ou nucléaire.
3 – La gazéification à la vapeur d’eau
La gazéification à la vapeur d’eau produit un mélange de dioxyde de carbone et de dihydrogène par combustion de composés organiques comme le charbon ou la biomasse (paille, bois…). Ce « gaz de synthèse » (CO2 et H2) est ensuite purifié pour éliminer les polluants. Dans la mesure où le dioxyde de carbone émis par la combustion du monoxyde de carbone est comparable à celui dégagé par la dégradation de la biomasse sans passer par la gazéification, le bilan d’effet de serre est neutre. A noter que plus de 90 % de l’hydrogène est obtenu par cette méthode.
La production du dihydrogène par l’exploitation de la lumière du soleil, associée à des hydrogénases (des enzymes spécifiques) et des algues microscopiques ou des bactéries, est également envisagée. L’objectif est de reproduire les réactions chimiques pour pouvoir développer des réacteurs bio-inspirés.
4 – L’hydrogène naturel
Une autre approche consiste à exploiter les sources d’hydrogène naturel, aussi désigné comme l’hydrogène actif. En effet, dans les années 1970, des chercheurs ont découvert l’existence de gisements le long de chaînes volcaniques dans les fonds marins. L’hydrogène est émis grâce à des réactions de serpentinisation entre les roches magmatiques qui affleurent le manteau terrestre et l’eau. Malheureusement, ces gisements sont inexploitables puisque quasi inaccessibles. Plus récemment, les chercheurs se sont penchés sur la géologie de certaines couches terrestres (grands massifs terrestres de péridotite, zones intraplaques, cratons précambriens) qui accumuleraient et dégazeraient du l’hydrogène. D’importantes émissions d’hydrogène ont été notamment localisées en Russie, au Kansas (USA), à Yanartas (Turquie) et au Mali.
Contrairement à l’hydrogène artificiel, l’hydrogène actif est une véritable source d’énergie. Par ailleurs sa combustion produit uniquement de l’eau.
Les domaines d’applications de la molécule d’hydrogène
L’hydrogène moléculaire étant un vecteur d’énergie propre, il est possible de le convertir en électricité, en chaleur, en énergie cinétique, et même en médicament. Il est souvent utilisé comme un réactif chimique dans de nombreux secteurs industriels : textile, chimie, verrerie, électronique… Son utilisation s’étend à d’autres domaines : aérospatial, transport, stockage d’énergie, médical…
1 – Applications industrielles
Très réactif, l’hydrogène est utilisé dans diverses applications industrielles afin de produire des matériaux. En chimie industrielle, il peut être associé à de l’azote pour produire de l’ammoniac (réactif de base des engrais). Il est également utilisé pour la fabrication de fibres textiles (le nylon), de matières plastiques et de mousses polyuréthanes.
Dans la verrerie, il permet de fabriquer du verre plat pour les écrans plats. Pour ce faire, la technologie « Float glass » est utilisée. L’hydrogène (mélangé à l’azote) constitue une atmosphère de protection réductrice.
En électronique, l’hydrogène transporte des gaz actifs pour la fabrication de composants électriques. Il protège notamment de l’oxydation et des impuretés.
En métallurgie, l’hydrogène entre dans la composition des atmosphères de traitement thermique pour le frittage ou le recuit des pièces métalliques.
2 – Production d’énergie
L’hydrogène permet de produire de l’électricité propre et silencieuse pour diverses utilisations. Cela est le cas pour l’alimentation électrique des zones reculées qui ne sont pas raccordées au réseau de distribution, des sites sensibles (pour la fourniture de l’énergie de secours), des générateurs portables (pour les événements en plein air).
Il est également utilisé dans les piles à combustibles (FCH) des véhicules électriques et autres flottes captives (bus, trains, bateaux, chariots élévateurs…). L’électricité est générée grâce à la réaction entre l’hydrogène et l’oxygène inspiré de l’air. Il est clair que ces véhicules n’émettent pas de CO2, mais de l’eau.
L’hydrogène (dans sa forme liquide) joue également un rôle appréciable dans le domaine de l’industrie spatiale en tant que carburant des fusées. Il concentre 3 fois plus d’énergie que l’essence, à volume égal. Pour le lancement des fusées, il est associé à l’oxygène liquide.
L’hydrogène fait également partie des sources d’énergie de nouveaux types de chaudières. Dans ce sens, ces dispositifs de chauffage ne polluent pas l’air.
3 – Applications médicales
De nombreuses études médicales ont permis de démontrer que l’hydrogène moléculaire, dihydrogène ou diatomique présente un énorme potentiel thérapeutique. En 1975, Dole et al. ont évoqué l’application de l’hydrothérapie hyperbare dans le traitement du cancer. En 1997, Shirahata et ses collaborateurs ont rapporté que l’hydrogène moléculaire pourrait piéger les espèces réactives de l’oxygène (ROS). En 2007, Ohsawa et ses collaborateurs ont suggéré que l’hydrogène moléculaire agirait comme un antioxydant sélectif en réduisant les radicaux cytotoxiques (OH) (notamment le radical hydroxyle qui est la plus réactive des ROS), en les convertissant en molécules d’eau dans les cellules. Il neutraliserait également le péroxynitrite, la plus réactive des espèces réactives de l’azote (RNS). Depuis, divers articles suggèrent que l’hydrogène moléculaire aurait des propriétés anti-inflammatoires et antioxydantes. En 2016, Dixon et Zhang présentent l’hydrogène moléculaire comme gaz thérapeutique qui a un effet anti-apoptopique.
3.1 L’eau hydrogénée
Des recherches ont permis d’établir que l’eau potable enrichie en hydrogène moléculaire dissous (gaz d’hydrogène) est un puissant antioxydant et anti-âge naturel. Elle est obtenue par l’électrolyse de l’eau. L’eau hydrogénée renforce le système immunitaire, protégeant ainsi contre les maladies, incluant celles liées au vieillissement. Elle permet d’atténuer les symptômes associés à des maladies telles que le diabète, l’arthrose, les rhumatismes inflammatoires, le cancer et les maladies cardiovasculaires.
Il est à rappeler que les radicaux libres nuisent à la santé, en accélérant le vieillissement des cellules, en provoquant les maladies cardiovasculaires et neurovégétatives. Comme l’organisme ne produit pas d’antioxydants, il faut le chercher dans les aliments, y compris dans l’eau hydrogénée. Cette eau apporte des avantages potentiels pour la santé et le bien-être. Ses propriétés anti-âge permettent de protéger les cellules des effets du stress oxydatif, et par conséquent du vieillissement prématuré (cellulaire et cutané). L’eau hydrogénée améliorerait également la performance sportive en combattant le stress oxydatif et l’accumulation d’acide lactique dans le muscle. Elle réduit également la sensation de fatigue musculaire après l’effort.
L’eau hydrogène agit également comme un détoxifiant en éliminant les toxines accumulées dans l’organisme. Sa consommation participe à l’équilibre métabolique, à la régulation du taux de sucre dans le sang.
Il y a également l’hypothèse selon laquelle l’eau hydrogénée améliorerait l’activité des neurones et la transmission des influx nerveux. Ce qui aurait un effet bénéfique sur la faculté de mémoire et la capacité de concentration.
La vente d’eau hydrogénée est autorisée en France, aux Etats-Unis, au Japon, en Corée du Sud et en Chine.
3.2 L’hydrogène moléculaire en tant que gaz médical thérapeutique
Une recherche clinique a révélé qu’en tant que facteur de régulation physiologique, l’hydrogène moléculaire a des effets protecteurs antioxydants, anti-inflammatoires et anti-apoptotiques sur les organes et les cellules. L’hydrogène thérapeutique a ainsi été administré de différentes manières, dont par inhalation simple, par injection dans une solution saline saturée, ou par ingestion (dissous dans l’eau). L’hydrogène comme gaz médical thérapeutique est ainsi utilisé pour traiter différentes maladies.
A ce jour, plus de 700 études dévoilent les bienfaits thérapeutiques de l’hydrogène moléculaire sur plus de 150 pathologies humains. Les scientifiques ont par ailleurs découvert que l’hydrogène moléculaire régule plus de 200 bio-molécules.
Place de l’hydrogène moléculaire dans la transition énergétique
Il se pourrait que l’hydrogène moléculaire soit l’un des vecteurs d’hydrogène les plus prometteurs en tant qu’alternatives aux ressources fossiles. Mais dans la mesure où il n’existe pas à l’état naturel, il faut le produire à partir de sources variées comme l’eau, le gaz naturel ou la biomasse. Les chercheurs se sont penchés sur de nombreux procédés de production : biologiques, thermiques, électrochimiques. A part son potentiel énergétique, l’hydrogène moléculaire est apprécié en tant que vecteur d’énergie verte puisqu’il est possible de le fabriquer à partir de sources renouvelables. Après sa combustion/oxydation, il génère uniquement de l’eau. Mais pour cela, des schémas de production doivent être pris en compte.
De manière générale, il a été démontré par de nombreuses études qu’en combinant les matières premières renouvelables, les méthodes biologiques (ou électrochimiques), et les énergies renouvelables (solaire, hydraulique, éolienne et géothermique), le procédé de production de l’hydrogène est indéniablement à caractère vert.
Il a d’ailleurs été débattu lors des COP que l’hydrogène tiendra un rôle important dans la transition énergétique en complément des énergies renouvelables. Dans la mesure où les énergies renouvelables sont intermittentes, l’hydrogène sera ainsi utilisé pour stocker le surplus d’énergie généré par ces énergies intermittentes. Cela permettra de réduire les émissions de gaz à effet de serre de manière considérable. Cependant, de nombreux investissements sont requis pour son exploitation industrielle.
