L’hydrogène en trois temps

Photo de Silas Baisch sur Unsplash

Introduction

L’hydrogène, élément chimique portant le symbole H et le numéro atomique 1, est le premier et le plus simple de tous les éléments. Composé d’un seul proton et d’un seul électron, il est aussi le plus léger et le plus abondant de l’univers, représentant environ 75 % de sa matière ordinaire.

À température ambiante, l’hydrogène se présente sous forme de gaz incolore, inodore et insipide. Hautement inflammable, il brûle avec une flamme presque invisible, ne produisant que de la vapeur d’eau. Son nom provient du grec « hydro » (eau) et « genês » (qui engendre), littéralement « celui qui engendre l’eau ».

Carburant des étoiles, où il fusionne pour former de l’hélium et libérer l’énergie qui les fait briller, l’hydrogène est aussi l’élément fondamental de la molécule d’eau, essentielle à toute forme de vie.

L’hydrogène au passé

— À la découverte de l’hydrogène

La découverte de l’hydrogène commence plus d’un quart de millénaire avant son identification officielle. Vers 1520, le médecin, philosophe et alchimiste suisse allemand Paracelse observe qu’en versant de l’acide sulfurique sur du sur du fer, du zinc ou de l’étain, il se dégage « un air semblable au vent ». Auteur de la Tria Prima (théorie des 3 principes — sel, soufre, mercure), il ne décrit pas la nature de cet air mystérieux. Au siècle suivant, en 1670, le scientifique anglo-irlandais Robert Boylereproduit cette expérience avec la méthode purement expérimentale, basée sur l’observation stricte. Elle le mène à introduire le concept des airs factices (factitious airs), remettant en cause les théories d’Aristote ou de Paracelse, ou l’idée d’un air unique et universel.

Encore un siècle plus tard, en 1766, Henry Cavendish, physicien et chimiste britannique, isole enfin l’hydrogène. Puis, vers 1781, il démontre qu’en brûlant l’« air inflammable » en présence d’« air déphlogistiqué » (l’oxygène), on obtient… de l’eau !

Dans les mêmes années, le chimiste français Antoine Lavoisier répète les essais de Cavendish ; il en conclut que l’eau n’est pas un élément simple, mais un composé formé de deux gaz. Cette révélation fait l’effet d’une bombe dans le monde scientifique : l’eau, l’un des quatre éléments d’Aristote, vénéré depuis l’Antiquité, serait une combinaison chimique ! Cette affirmation marque un tournant décisif vers la chimie moderne, dont Lavoisier sera considéré comme le père.

En 1787, Lavoisier et ses collègues baptisent le gaz « hydrogène » pour remplacer définitivement les appellations vagues d’« air inflammable » ou de « gaz combustible ».

— La catastrophe du Hindenburg

Le 6 mai 1937, dans le ciel du New Jersey, le LZ-129 Hindenburg approche de la base aéronavale de Lakehurst, après avoir traversé l’Atlantique. Ce géant des airs long de 245 mètres — presque trois fois la longueur d’un Boeing 747 — représente alors le summum du luxe aérien. À 19 h 25, alors que l’équipage s’apprête à amarrer, une flamme jaillit près de l’empennage. En trente-quatre secondes, l’enveloppe tout entière s’embrase. Sur les 97 personnes à bord, 36 périssent. Miraculeusement, 62 personnes survivent.

Si les causes de l’embrasement font débat, l’enquête officielle retient l’hypothèse d’une décharge électrostatique dans une atmosphère orageuse, qui aurait enflammé une fuite d’hydrogène. Le revêtement de la toile a pu favoriser la propagation rapide de l’incendie. Contrairement à une croyance répandue, l’hydrogène n’a pas explosé : il a brûlé. Plus léger que l’air, il s’est rapidement élevé, ce qui explique en partie le nombre de survivants, concentrés dans les parties basses du ballon. Les images filmées de la tragédie font le tour du monde, accompagnées du commentaire en direct à la radio du journaliste Herbert Morrison : « Oh, the humanity! ». Ces reportages marqueront l’imaginaire collectif et scelleront le destin des grands dirigeables.

Pourtant, la tragédie aurait pu être évitée. Le Hindenburg avait été conçu pour fonctionner à l’hélium, ininflammable. Mais le contexte géopolitique en décida autrement. Les États-Unis, seul producteur industriel d’hélium au monde, avaient adopté en 1925 le Helium Control Act, qui classait ce gaz comme ressource stratégique relevant de la défense nationale et en interdisait l’exportation. Même lorsque la loi fut assouplie en 1937 pour autoriser la vente d’excédents, l’administration américaine refusa de fournir l’Allemagne nazie. Face à cette impasse diplomatique, les ingénieurs allemands durent réaménager le LZ-129 pour l’hydrogène.

Avant Lakehurst, plusieurs vaisseaux à l’hydrogène avaient pris feu : le LZ-4 de Zeppelin en 1908 ; le Roma (US Navy), tombé sur des lignes à haute tension à Norfolk en 1922, causant 34 morts ; le Britannique R101, écrasé en 1930, faisant 48 victimes. Ces accidents établissaient le danger d’un gaz de sustentation inflammable. Malgré ce risque, l’exploitation commerciale avait aussi montré des périodes de sûreté relatives — le Graf Zeppelin (LZ-127), rempli d’hydrogène, a accompli 590 vols et plus d’un million de milles sans heurts.

Des dirigeables à l’hélium, vulnérables aux intempéries, avaient eux aussi connu des fins funestes. La marine américaine perd le USS Akron en 1933, et le USS Macon en 1935. Pendant ce temps, l’aviation à voilure fixe gagne en performance.

Après Lakehurst, la confiance du public s’effondre pour de bon et les liaisons commerciales en zeppelin, à l’hélium ou l’hydrogène, cessent : c’est la fin du transport de passagers par grands dirigeables.

Le dirigeable britannique R101 et l’USS Macon survolant l’île de Manhattan à New York. Source images : Wikipédia

L’hydrogène au présent

— L’hydrogène, élément primordial de l’univers

L’hydrogène est le plus ancien élément. Son noyau apparaît dans les trois premières minutes suivant le Big Bang. 380 000 ans plus tard, quand l’univers brûlant et dense commence à refroidir, les protons et les électrons s’unissent. Ils créent les premiers atomes d’hydrogène, le premier élément à se former.

Au cœur des étoiles, sous des températures dépassant les 10 millions de degrés Celsius et des pressions extrêmement élevées, quatre atomes d’hydrogène fusionnent pour former un atome d’hélium. Cette fusion thermonucléaire libère une quantité phénoménale d’énergie, qui fait briller notre Soleil et les milliards d’étoiles de l’univers observable. Le Soleil transforme environ 630 millions de tonnes d’hydrogène en hélium chaque seconde, produisant la lumière et la chaleur qui rendent la vie possible sur Terre.

Cette alchimie stellaire forge également les éléments plus lourds qui composent notre monde. Lorsqu’une étoile massive épuise son hydrogène, elle commence à fusionner l’hélium en éléments plus complexes : carbone, oxygène, fer. À la fin de sa vie, elle explose en supernova, dispersant les éléments dans l’espace. Ces débris cosmiques s’agrègent pour former de nouvelles étoiles, des planètes — et, ultimement, des êtres vivants. Nous sommes littéralement faits de poussière d’étoiles, et tout commence par l’hydrogène.

Sur Terre, l’hydrogène joue un rôle tout aussi fondamental en se combinant à l’oxygène pour former l’eau (H₂O). Cette molécule, composée de deux atomes d’hydrogène et d’un atome d’oxygène, couvre 71 % de la surface de notre planète.

De récentes découvertes offrent des perspectives nouvelles sur l’origine de l’eau terrestre. L’eau aurait existé avant même la formation de la Terre : elle se serait d’abord formée dans le nuage moléculaire froid de l’espace interstellaire, où l’hydrogène et l’oxygène se sont combinés sur des grains de poussière glacés. Ce nuage, composé des restes d’étoiles anciennes et de matière primordiale, allait s’effondrer pour former notre système solaire. Des molécules d’eau se seraient alors incorporées dans le disque de matière qui tournait autour du jeune Soleil, et qui s’est aggloméré progressivement pour former notre planète. Lorsque l’hydrogène et l’oxygène emprisonnés dans les roches (poussières cosmiques) ont été relâchés par l’intense activité volcanique des premiers âges de la Terre ils ont pu se recombiner, et former nos océans.

Le Big Bang est la théorie scientifique qui décrit l’origine et l’évolution de l’Univers. Source image : Wikepédia

— Les couleurs de l’hydrogène

L’hydrogène n’a ni couleur ni odeur. Cependant, l’industrie lui attribue une palette chromatique pour distinguer ses différentes méthodes de fabrication et, surtout, leur impact environnemental.

L’hydrogène gris domine le marché mondial, représentant plus de 95 % de la production. Il s’obtient principalement par vaporeformage du méthane, qui consiste à chauffer du gaz naturel en présence de vapeur d’eau. Ce procédé libère jusqu’à 10 tonnes de CO₂ pour chaque tonne d’hydrogène produite. Son cousin plus sombre, l’hydrogène noir ou brun, provient de la gazéification du charbon et génère encore plus d’émissions : jusqu’à 19 tonnes de CO₂. Économiquement avantageux et technologiquement maîtrisés, ces hydrogènes fossiles restent néanmoins incompatibles avec les objectifs de décarbonation.

L’hydrogène bleu utilise le même procédé de vaporeformage, mais y ajoute la capture et le stockage du CO₂ émis. Sur papier, ces technologies peuvent piéger jusqu’à 90 % des émissions de carbone et les enfouir dans des formations géologiques profondes. Dans la réalité, les installations existantes atteignent difficilement ces taux. Les systèmes de captage laissent échapper une grande partie des émissions liées à la combustion nécessaire pour alimenter le site lui-même, Cette approche demeure controversée : certains y voient une technologie de transition nécessaire pour amorcer la filière hydrogène, tandis que d’autres craignent qu’elle ne serve surtout à prolonger l’exploitation du gaz naturel sous couvert de « propreté ».

L’hydrogène vert incarne la promesse d’une énergie véritablement propre. Produit par électrolyse de l’eau — un procédé qui utilise un courant électrique pour séparer les molécules H₂O en hydrogène et oxygène — lorsque l’électricité provient de sources renouvelables comme l’éolien, le solaire ou l’hydroélectricité, il ne génère que très peu d’émission de carbone. Son cousin jaune désigne plus spécifiquement l’hydrogène produit par énergie solaire. Technologiquement et écologiquement irréprochables, ces hydrogènes verts coûtent encore deux à trois fois plus cher que l’hydrogène gris.

La famille nucléaire offre l’hydrogène rose (ou violet, ou rouge selon les variantes), produit par électrolyse alimentée par l’électricité des centrales nucléaires. Ne générant pas de CO₂, il soulève néanmoins les questions habituelles liées à l’énergie atomique.

Quelques couleurs émergentes annoncent des approches innovantes. L’hydrogène turquoise naît de la pyrolyse du méthane, où le gaz naturel est décomposé en hydrogène et en carbone solide — évitant les émissions de CO₂. L’hydrogène orange est produit par une réaction naturelle entre le fer contenu dans les minéraux et l’eau sous certaines conditions de température et de pression (une réaction d’oxydoréduction). Le nom « orange » vient précisément de la couleur des oxydes de fer, sous-produits (rouille) de cette réaction.

L’hydrogène blanc — l’hydrogène natif, est présent naturellement dans le sous-sol terrestre et marin. Des gisements ont récemment été identifiés en France, il en existe au Mali, aux États-Unis, au Canada, entre autres. L’exploitation industrielle — extraction stockage, transport — et l’évaluation des réserves sont encore à un stade précoce. Bien que certains y voient un potentiel « vert », puisque qu’il n’exige aucune transformation ou synthèse, d’autres mentionnent le coût énergétique inhérent à toute manipulation de la ressource, et les conséquences des fuites inévitables de ce gaz léger dans l’atmosphère à toutes les étapes de l’exploitation.

L’avenir de l’hydrogène

— L’hydrogène, carburant de l’avenir ?

L’hydrogène s’annonce souvent comme le socle d’une nouvelle économie énergétique. Contrairement aux combustibles fossiles qui libèrent leur énergie en brûlant, l’hydrogène peut la restituer proprement, ne rejetant que de la vapeur d’eau.

Les piles à combustible, par exemple, convertissent l’hydrogène directement en électricité par une réaction inverse de l’électrolyse : l’hydrogène se combine avec l’oxygène de l’air pour produire de l’électricité, de la chaleur et de l’eau. Aucune combustion, aucune émission nocive. Les véhicules à pile à hydrogène exploitent cette technologie pour alimenter un moteur électrique, offrant une autonomie d’environ 600 kilomètres avec un temps de ravitaillement de seulement quelques minutes. Quelques constructeurs commercialisent déjà des modèles, bien que leur adoption demeure marginale en 2025.

Au-delà du transport, l’hydrogène pourrait aider au stockage d’énergie à grande échelle. L’un des défis majeurs des énergies renouvelables — solaire et éolienne — réside dans leur intermittence : le vent ne souffle pas toujours, et le soleil ne brille pas la nuit. L’hydrogène offre une solution : durant les périodes de production excédentaire, l’électricité sert à produire de l’hydrogène par électrolyse. Cet hydrogène peut ensuite être stocké puis reconverti en électricité lorsque la demande augmente ou que la production diminue. L’hydrogène pourrait aussi participer à la décarbonation de certains secteurs, comme l’acier, l’aviation longue distance, le transport maritime ou le camionnage lourd.

Cependant, le stockage de l’hydrogène pose un problème de taille — littéralement. Sous sa forme gazeuse à température ambiante, il occupe un grand volume. Pour le rendre transportable, il faut soit le comprimer à des pressions extrêmes (700 bars, soit 700 fois la pression atmosphérique), soit le liquéfier à -253 °C, ce qui consomme jusqu’à 35-40% de l’énergie contenue dans l’hydrogène lui-même. De plus, étant la plus petite molécule existante, il peut s’infiltrer ou s’évader à travers des matériaux qui retiendraient d’autres gaz.

Le transport de l’hydrogène est aussi un enjeu. Les pipelines existants pour le gaz naturel ne sont pas réutilisables tels quels pour de l’hydrogène pur et exigent, au cas par cas, des adaptations matérielles et opérationnelles coûteuses (fragilisation des aciers, fuites, compresseurs/valves, capacité). La construction d’un réseau dédié — pipelines, stations de ravitaillement, flotte de camions et terminaux portuaires — demande des investissements élevés, et la part de projets effectivement engagés demeure modeste. Peu d’infrastructures, peu d’utilisateurs ; peu d’utilisateurs, investissements timides. Pour l’instant.

— La fusion nucléaire avec ITER ; la grande promesse de l’hydrogène

Depuis des décennies, les scientifiques rêvent de reproduire le processus de fusion stellaire (quatre atomes d’hydrogène fusionnent pour former de l’hélium) sur Terre, dans un réacteur contrôlé. S’ils y parviennent, l’humanité disposerait d’une source d’énergie pratiquement inépuisable et propre, capable de répondre aux besoins énergétiques de la planète pour des millénaires. C’est précisément l’objectif du projet ITER, l’une des collaborations scientifiques les plus ambitieuses jamais entreprises.

ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), qui signifie aussi « chemin » en latin, se construit à Cadarache, dans le sud de la France. Ce gigantesque réacteur expérimental mobilise au moins 35 pays, dont les États-Unis, la Chine, l’Inde, le Japon, la Corée du Sud, la Russie et l’Union européenne. Haut de 30 mètres et pesant 23 000 tonnes, le tokamak d’ITER — chambre magnétique en forme de beigne — sera le plus grand jamais construit. Sa mission : produire 500 mégawatts de puissance de fusion à partir d’une injection de seulement 50 mégawatts, soit un gain énergétique de facteur 10.

Le principe de la fusion nucléaire repose sur la combinaison de deux isotopes de l’hydrogène : le deutérium et le tritium. Lorsque ces noyaux atomiques sont chauffés à des températures extrêmes — environ 150 millions de degrés, soit dix fois plus chaud que le cœur du Soleil — ils se transforment en plasma, un état de la matière où les électrons se séparent des noyaux. Dans cet enfer surveillé, les noyaux de deutérium et de tritium peuvent vaincre leur répulsion électrique naturelle et fusionner, créant un atome d’hélium et libérant un neutron à haute énergie qui sera converti en chaleur, puis en électricité.

Le potentiel énergétique théorique de la fusion nucléaire dépasse tout ce que nous connaissons. Le deutérium, l’un des deux carburants nécessaires, se trouve en abondance dans l’eau de mer — un litre en contient environ 33 milligrammes. Le tritium, plus rare, peut être produit à partir du lithium, un élément relativement abondant dans la croûte terrestre. Avec ces ressources, la fusion pourrait fournir de l’énergie pendant des milliers d’années sans émettre de gaz à effet de serre. Contrairement à la fission nucléaire, la fusion ne génère pas de déchets radioactifs à longue durée de vie, et ne présente aucun risque d’emballement ou d’explosion : si le confinement magnétique est interrompu, la réaction s’arrête instantanément.

Les défis technologiques sont inédits. Maintenir un plasma à 150 millions de degrés exige des champs magnétiques d’une puissance inouïe, générés par des aimants supraconducteurs refroidis à -269 °C par de l’hélium liquide. Ces aimants doivent confiner le plasma avec une précision millimétrique sur de longues périodes, tout en résistant aux bombardements de neutrons à haute énergie qui dégradent progressivement les matériaux. Aucun matériau connu ne peut entrer en contact direct avec un plasma à de telles températures — il se vaporiserait dans l’instant. Raison pour laquelle les chercheurs ont développé le concept du tokamak, où les champs magnétiques maintiennent le plasma en lévitation dans le vide, sans qu’il touche les parois.

Le calendrier d’ITER illustre l’ampleur du projet. Avec une construction lancée en 2006, la date de première production de plasma initialement programmée pour 2025 est reportée à au moins 2034. Même si ITER atteint ses objectifs, il ne produira pas d’électricité commerciale — ce sera le rôle de DEMO, son successeur, prévu pour… environ 15-20 ans plus tard. En d’autres termes, la fusion nucléaire ne contribuera probablement pas de manière significative aux réseaux électriques avant la seconde moitié du siècle — la fusion sera-t-elle toujours une « énergie du futur » ?

Malgré tout, les avancées se multiplient. En décembre 2022, le National Ignition Facility (NIF) en Californie a franchi une étape historique : pour la première fois un gain énergétique net (54 %) lors d’une fusion par confinement inertiel — une approche différente d’ITER, mais qui prouve que la fusion peut engendrer plus d’énergie qu’elle n’en consomme. Cependant, ce résultat ne compte pas l’énergie utilisée pour faire fonctionner le NIF. Des entreprises privées comme Commonwealth Fusion Systems ou TAE Technologies visent la fabrication de réacteurs plus compacts et moins coûteux pour les années 2030.

Si le rêve d’ITER se réalise, il n’apportera pas uniquement une source d’énergie quasi inépuisable : il offrira à l’humanité la maîtrise du feu des étoiles.

Illustration du tokamak du projet ITER. Source image : ITER