Histoire de l’hydrogène

Je vais commencer par vous donner les principaux repères historiques: découvertes, projets nationaux, etc. Nous verrons ensuite les repères industriels, nous permettant de voir comment ces innovations et projets se sont traduits en pratique.

Principaux repères historiques

Découverte et premiers tests de l’hydrogène

  • 1776: la découverte de l’hydrogène. Au début des années 1500, l’alchimiste Paracelse observa que les bulles produites lorsque du fer était ajouté à de l’acide sulfurique étaient inflammables. En 1771, Robert Boyle fit la même observation. Toutefois, Henry Cavendish produisit de l’hydrogène grâce à une réaction entre du zin et de l’acide hydrochlorique. Lors d’une démonstration à la Royal Society of London, exposa une étincelle au gaz, ce qui produisit de l’eau. On découvrit ainsi que l’eau était faite d’hydrogène et d’oxygène.
  • 1788: la naissance du terme d’hydrogène. C’est Antoine Lavoisier qui, suite à l’expérience de Cavendish, donna son nom à l’hydrogène, à partir de hydro et genes signifiant en grec « eau » et « né de« .
  • 1800: Découverte de l’électrolyse. William Nicholson et Sir Anthony Carlisle découvrent en 1800 qu’en appliquant un courant à l’électrique à de l’eau, on libère du gaz d’hydrogène et d’oxygène. Ils appellent ce procédé de destruction par l’électricité « électrolyse ».
  • 1838: Prémisses de la pile à combustible. Christian Friedrich Schoenbein a découvert qu’il était possible de combiner de l’oxygène et de l’hydrogène pour produire et un courant électrique.
  • 1845: Découverte de la pile à combustible. Sir William Grove appliqua la découverte de Shoenbein en créant une « batterie à gaz ».
  • 1874: Jules Verne, premiers rêves d’une économie hydrogène. Jules Verne, à travers un de ses personnages « L’île mystérieuse« , Cyrus Smith, prophétisa une économie hydrogène:

« L’hydrogène et l’oxygène, qui (…) constituent (l’eau), utilisés isolément ou simultanément, fourniront une source de chaleur et de lumière inépuisable et d’une intensité que la houille ne saurait avoir. Un jour, les soutes des steamers et les tenders des locomotives, au lieu du charbon, seront chargés de ces deux gaz comprimés, qui brûleront dans les foyers avec une énorme puissance calorifique »

  • 1889: Naissance du terme de pile à combustible. Ludwig Mond and Charles Langer ont tenté de développer la première « pile à combustible« , utilisant de l’air et du gaz industriel de charbon.

Les applications de l’hydrogène

Après l’époque des premières découvertes, on a trouvé à l’hydrogène de plus en plus d’utilisations. Certaines, comme celles en chimie, ont perdurés et d’autres, comme celles dans les transport ont fait long feu …

L’hydrogène et la chimie, les débuts d’une histoire d’amour

  • 1909: Le procédé Haber-Bosch. C’est l’une des plus grandes innovations agricoles de l’Histoire: le procédé Haber-Bosch permet de « fixer » de l’azote atmosphérique à l’aide d’hydrogène: N2(g) + 3 H2(g) ⇌ 2 NH3(g) + ΔH. La réaction a été découverte par Fritz Haber et industrialisée avec l’aide de Carl Bosch. Cet ammoniaque permet notamment de produire des engrais azotés, qui ont augmenté drastiquement les rendements de l’agriculture mondiale. La synthèse d’ammoniaque représente aujourd’hui >40% de l’utilisation de dihydrogène.

Voitures et zeppelins: l’échec de l’hydrogène dans les transports

  • 1900: L’invention des zeppelins. Les zeppelins ont été inventés en 1900 et tiennent leur nom de leur inventeur : le comte von Zeppelin.
  • 1914: Des zeppelins bombardent l’Angleterre. Des zeppelins flottant à l’hydrogène ont été utilisés par les allemands à des fins militaires. Ces mastodontes volants, pouvant aller à 85mph et emporter 2 tonnes de bombes, ont notamment mis à profit leur autonomie unique à l’époque pour aller bombarder les villes anglaises à partir de 1915.
Premier raid sur Londres le 19 janvier 1915. Imaginez-vous le choc de voir ce mastodonte larguer des bombes au milieu d’une capitale européenne …

Toutefois la parade a été rapidement trouvée : les balles explosives perçaient les protections et enflammaient l’hydrogène, ce qui causait l’explosion des engins. Si les dégats matériels causés par les zeppelins ont été au final limités, l’expérience était terrifiante pour les anglais. A part ça, les zeppelins étaient aussi utilisés (aussi par les alliés) à des fins de reconnaissance, notamment pour repérer les sous-marins.

  • Années 1920: Premières voitures à hydrogène. Dans les années 20, Rudolf Erren convertit des moteurs à combustion pour carburer à l’hydrogène.
L’événement qui ancra l’image de l’hydrogène comme un gaz extrêmement dangereux.

L’hydrogène et l’espace

  • 1932: La « Bacon Cell ». Francis T. Bacon remplace les électrodes de platines et l’acide sulfurique des piles à combustibles d’alors par du nickel et un électrolyte alcalin. Il perfectionne son procédé pour développer, en 1959 une pile de 5kW. C’est la « Bacon cell », dont les principes seront ensuite utilisés pour produire de l’électricité dans l’espace.
  • 1963: L’hydrogène et l’espace. La propulsion cryotechnique, utilisant de l’oxygène et de l’hydrogène liquides (LOX/LH2), a été développée dans les années 50. Elle a été mise en pratique avec succès pour la première fois lors du vol d’une fusée Atlas Centaur en 1963 avec un moteur RL-10.

L’hydrogène nucléaire

  • 1951: la première bombe H. L’hydrogène a aussi servi à faire … des bombes. L’idée, née en 1940 chez Edward Teller, consistait à utiliser l’énergie libérée par l’explosion de la bombe A pour causer une fusion. La première bombe H, Mike, explose dans l’océan Pacifique le 1er novembre 1952. Le principe de ces bombes est de faire fusionner des isotopes de l’hydrogène, le tritium et le deutérium.
L’explosion de « Mike ».

Choc pétrolier et redécouverte de l’hydrogène-énergie

Les chocs pétroliers ont fait prendre conscience de la dangerosité de la dépendance au pétrole. L’hydrogène est apparu comme une piste, mais l’avantage concurrentiel de l’essence était trop fort pour que cela prenne.

  • 1970: La naissance de « l’économie hydrogène ». C’est en 1970 que le terme « économie hydrogène » a pour la première fois été utilisé. Il est en général attribué à l’électrochimiste John O’Mara Bockris en a parlé lors d’une discution au centre technique de General Motors à Warren, dans le Michigan. Toutefois, on trouve un papier intitulé « Toward a liquid hydrogen fuel economy » présenté à l’université du Michigam par Lawrence W. Jones et … daté du 13 mars 1970.
  • Années 70: Développement de la recherche pour une électrolyse avancée en France, impulsée par EDF et la volonté d’avoir un vecteur d’énergie pour optimiser / réguler le réseau électrique. Néanmoins, le projet avortera dans les années 90 en raison de la concurrence de l’hydrogène fossile :
  • 1973: Le premier choc pétrolier. L’OPEC décide un embargo sur le pétrole

  • 1974: Naissance de l’IEA. Les activités de l’International Energy Agency (IEA), née en 1974, incluait le développement et la recherche de technologies d’énergie hydrogène.

  • 1989: Création de la NHA. La National Hydrogen Association (NHA) est née en 1989 aux Etats-Unis composée de 10 membres. Elle rassemble aujourd’hui 100 entreprises, incluant des fabriquants automobiles et des industries aérospatiales.
  • 1990: Première installation d’électrolyse solaire (à Wasserstoff-Bayern, en Allemagne).

Premiers développements de l’économie hydrogène

  • 1997: Un contrat de recherche à $300 million. Daimler-Benz et Ballard Power Systems ont annoncé un partenariat de recherche sur les piles à combustibles pour le transport, d’un montant de US$300 million.
  • 2000 : Ballard Power Systems a présenté la première PEMFC prête à industrialisée pouvant être utilisé dans l’automobile au Detroit Auto Show.
  • 2003: Le président des US George W. Bush a annoncé un financement de 1.2 milliards de dollars pour développer des PEMFC commercialement viables.

Epoque moderne : le retour de l’hydrogène-énergie ?

Le sujet, devant l’échec de ces initiatives est un peu tombé dans l’oubli, à part pour les centres de recherche des constructeurs automobiles. Ainsi

  • 2013: La première voiture à hydrogène commerciale
  • 2021: Les annonces de grands plans hydrogène

Repères industriels

Electrolyse

  • 20 novembre 1888: Dépôt du premier brevet sur l’électrolyse de l’eau par Latchinoff, conseiller d’Etat à Saint-Petersbourg. Il avait déjà notamment le principe du diaphragme et de l’électrolyse sous pression.
  • 1889: Hermann Nernst découvre la « formule de Nernst » , on est déduite la célèbre échelle de pH ainsi que, par Haber, la tension théorique de décomposition de l’eau (1.23 volts).
  • 18 octobre 1890: Dépôt du second brevet par Charles Renard sur « des cellules cylindriques monopolaires de 3.5m de hauteur, de 300 mm de diamètre, avec des électrodes de fer, de puissance unitaire 0.81kW (2,7 V sous 300A)« .
  • 1892: Dépôt du troisième brevet par l’Italien P.Garuti dont l’idée est d’utiliser les électrolyseurs à eau pour récupérer l’énergie disponible en heure creuse. Ils agiraient comme « régulateurs ».
  • 1899: Brevet d’un électrolyseur à eau de type « filtre-presse » (« modèle Schmitt 1899 »; « modèle Oerlikon »). Après cession à un industriel, le modèle connaître un succès commercial rapide, vendant 400 appareils (puissance 2 à 38 kW) en 20 ans.
  • 1900: 6 installations du modèle d’électrolyseur de P.Garuti fonctionnent en Europe (4m3/heure pour celle de Lucerne en Suisse), principalement pour alimenter les besoins de la soudure oxhydrique.
  • 1912: première grande installation de cellules monopolaires (« Knowles Cell »), notamment pour répondre aux besoins du développement de l’hydrogénation des corps gras. Ils vendront au total 205MW de ces mêmes modèles entre … 1922 et 1972.
  • Années 1910: Pionniers de l’industrie de l’ammoniaque, Casale et Fauser, développent de nombreuses unités d’électrolyse de l’eau (>99MW).

  • Années 1920: Développement de l’électrolyseur Pechkranz, qui va évincer le modèle Oerlikon. Les plus gros modèles peuvent avoir une puissance maximale de 875 kW.
  • 1926-1927: 176 MW d’électrolyseurs Pechkranz sont installés.
  • 1927: La société Norks-Hydro installe 120MW d’électrolyseurs Pechkranz à Vemork en Norvège. Le site marquera l’histoire à deux égards : sa puissance (300MW) était encore inégalée en 1996 et l’usine a été un enjeu de la « Bataille de l’eau lourde » en 1944-45.
  • Fin de la guerre: grandes installations, puis déclin avec le développement du vaporéformage du méthane et de la gazéification de charbon.

Les piles à combustible

https://boowiki.info/art/pile-a-combustible/pile-a-combustible-2.html#Cenni_storici