L’énergie nucléaire

Qu’est-ce que l’énergie nucléaire ?

L’énergie nucléaire est produite grâce à la vapeur d’eau, ainsi une centrale nucléaire peut être comparée à une machine à vapeur : le coeur du réacteur chauffe de l’eau qui, transformée en vapeur, entraîne une turbine couplée à une dynamo géante (un alternateur) qui génère à son tour de l’électricité. Ici, ce sont les matières fissiles (comme l’uranium ou le plutonium) qui chauffent l’eau, il n’y a donc pas de combustion ; la fission nucléaire, qui produit des neutrons et créé de nouveaux atomes, est une réaction en chaîne qui dégage de très grandes quantités de chaleur.

L’exemple des centrales à eau pressurisée (PWR)

Les centrales nucléaires à eau pressurisée sont composées de trois circuits totalement indépendants les uns des autres :

Le circuit primaire : une réaction en chaîne contrôlée dans la cuve du réacteur chauffe l’eau du circuit primaire ; celle-ci ne bout pas malgré une température d’environ 300 degrés Celsius, car elle est pressurisée à 155 bars. Le circuit primaire est le circuit d’extraction de la chaleur : l’eau chaude produite transmet sa chaleur à l’eau circulant dans un autre circuit fermé, le circuit secondaire.
Le circuit secondaire : l’eau de ce circuit est transformée en vapeur au contact avec les tubes dans lesquels circule l’eau du circuit primaire. La vapeur produite entraîne une turbine géante qui est couplée à un alternateur et ce dernier génère de l’électricité.
Le circuit tertiaire : ce circuit de refroidissement est indispensable au fonctionnement de la centrale, en effet il permet de recondenser la vapeur et d’évacuer l’énergie résiduelle. L’eau froide utilisée est prélevée à une source extérieure : la mer ou un fleuve. Après son passage dans le condenseur, cette eau légèrement échauffée est soit rejetée à sa source (une pratique fortement encadrée par un ensemble de règles environnementales), soit envoyée vers une tour de refroidissement.

Comment une centrale nucléaire PWR est-elle sécurisée ?

Une centrale nucléaire à eau pressurisée dispose de 5 barrières de confinement permettant d’isoler totalement les matières fissiles et les produits de leur fission hautement radioactifs.

Les barrières 1 et 2 : la matière fissile utilisée dans les centrales (uranium) est encapsulé dans des pastilles en céramique (barrière 1), elles-même empilées à l’intérieur d’une gaine métallique en zircaloy (barrière 2), formant un ensemble parfaitement étanche : la barre de combustible.
La barrière 3 : la cuve. Les barres de combustible sont immergées dans la cuve du réacteur, dont les parois d’acier ont une épaisseur de 25 centimètres.
Les barrières 4 et 5 : le réacteur et sa cuve sont installés dans une enceinte résistante à la pression. Cet ensemble est couvert par chape en béton armé (barrière 5) dont le rôle est de protéger l’installation d’accidents externes, comme un tremblement de terre ou l’impact d’un avion. Si la barrière 5 est compromise, la barrière 4 empêche tout rejet de matière radioactive.

18 novembre 2021

L’hydrogène

L’hydrogène est un vecteur énergétique fabriqué à partir d’une autre ressource, comme l’électricité. Il est aujourd’hui à 95% issu du gaz naturel pour des raisons économiques, même s’il en existe quelques sources naturelles.

L’effort de décarbonisation des sources de production d’électricité, dans le cadre de la transition énergétique, a mené à diverses études de production d’hydrogène par électrolyse de l’eau. Au-delà de ses applications « traditionnelles » dans la chimie et le raffinage, c’est aussi désormais dans les secteurs du stockage d’électricité et du transport que l’hydrogène pourrait jouer un rôle important à l’avenir.

D’où vient l’hydrogène ?

Le dihydrogène H2, que l’on appelle communément « hydrogène », est essentiellement produit à partir d’eau (H2O) ou d’hydrocarbures comme le charbon, le pétrole ou le gaz. L’un des hydrocarbures les plus simples, le méthane, aussi appelé gaz naturel et dont la formule est CH4, en est une source très commune.

Il existe également des sources naturelles d’hydrogène, certaines ont été découvertes au fond de l’océan dans les années 70, d’autres plus récemment à terre. Cependant, l’exploitation de ces sources naturelles ne pourra se faire de façon rentable qu’avec d’importants progrès techniques, surtout pour ce qui est des sources marines. Les émanations terrestres, beaucoup plus faciles d’accès, ont été découvertes dans deux types de formations géologiques :

les massifs de péritonite, des roches qui affleurent dans des contextes tectoniques particuliers
des zones intra-plaques situées au centre des continents, dans leurs parties les plus anciennes géologiquement, comme les cratons précambriens.

Comment l’hydrogène est-il produit ?

Il existe différentes façons d’extraire le dihydrogène H2 de sa ressource primaire :

La solution la plus répandue est le reformage du gaz naturel à la vapeur d’eau : une réaction entre du méthane (CH4) et de l’eau (H2O) produit de l’hydrogène et du dioxyde de carbone (CO2). Ce dernier doit cependant être recapturé et stocké afin de garantir un hydrogène décarboné. Le biométhane, issu de la fermentation de déchets organiques, est une alternative au gaz naturel et constitue une source de CH4 renouvelable. Aujourd’hui, 95% de l’hydrogène est produit par reformage du gaz naturel, mais sans captation du CO2 résultant, d’où une forte émission de gaz à effet de serre ;
La solution de gazéification, très émettrice de CO2, permet de produire de l’hydrogène à partir de la combustion de charbon ou de biomasse ;
La solution d’électrolyse de l’eau, qui nécessite de l’électricité et qui est 2 à 3 fois plus coûteuse que le reformage du gaz naturel, est utilisée dans des contextes particuliers requérant un très haut niveau de pureté. Cette technique, plus « propre » que les autres, devrait se répandre chez les industriels ; ceux-ci étudient des façons de la rendre moins onéreuse.

Comment l’hydrogène est-il utilisé ?

Aujourd’hui, l’hydrogène est essentiellement utilisé pour :

la production d’ammoniaque et de méthanol ;
le raffinage des produits pétroliers, des carburants et des biocarburants.

L’hydrogène représente actuellement, en masse, seulement 0,4% de la consommation mondiale d’énergie. En 2018, sa consommation mondiale était de 74 millions de tonnes (Mt), dont seulement 1Mt en France.

Quel rôle pour l’hydrogène dans la transition énergétique ?

L’hydrogène peut jouer un rôle conséquent dans la transition énergétique, et ce à deux niveaux :

La décarbonisation du secteur des transports, grâce aux piles à combustible (PAC) dont l’autonomie et le temps de recharge sont bien plus avantageux que ceux des batteries classiques. Les PAC, qui transforment l’hydrogène en électricité et en vapeur d’eau, peuvent équiper des véhicules électriques.
La palliation du caractère intermittent de certaines énergies renouvelables comme le solaire et l’éolien. L’excédent de production d’électricité de ces dernières peut servir à produire de l’hydrogène par électrolyse ; ce dernier est ensuite stocké pour être reconverti en électricité plus tard.

Pour que l’hydrogène puisse pleinement jouer ce rôle dans la transition énergétique, il doit pouvoir être produit de façon décarbonée ; on parle alors d’hydrogène vert. L’électrolyse permet de produire de l’hydrogène vert à condition que l’électricité provienne d’une source renouvelable ou du nucléaire ; dans le cas d’une production par reformage de gaz naturel, il faut que le CO2 émis soit capté et stocké de façon pérenne dans le sous-sol.

Ainsi, il apparaît qu’une production « propre » d’hydrogène est tributaire d’une production à grande échelle d’électricité décarbonée. L’hydrogène vert n’est donc pas encore une réalité ; une évolution technico-économique du secteur de l’énergie est un pré-requis indispensable.

Comment valoriser l’hydrogène décarboné ?

Quatre pistes se dessinent quant à la valorisation de l’hydrogène décarboné :

Power to Industry : la vente directe d’hydrogène vert aux industries dont les processus en sont friands (raffinage, chimie), afin de décarboner ceux-ci ;
Power to Gas : l’injection directe d’hydrogène dans les réseaux gaziers pour combustion, ou la production de méthane de synthèse par méthanation à partir de monoxyde (CO) ou dioxyde de carbone (CO2) ;
Power to Power : l’utilisation de piles à combustible (PAC) pour produire de l’électricité
Power to Mobility : l’hydrogène est transformé en un autre carburant via un procédé appelé « Fischer Tropsch » – il devient ainsi utilisable dans les moteurs thermiques actuels, sans modification de ces derniers.

Hydrogène vert : les conditions de son déploiement à grande échelle

L’horizon d’un déploiement à grande échelle de l’hydrogène vert est fixé à 2030 au plus tôt, en effet il faudra pour cela surmonter un nombre conséquent de défis :

La réduction drastique du coût de production d’hydrogène par électrolyse et ce sur l’ensemble de la chaîne. Pour cela il faudra compter sur le progrès technique ainsi que sur les économies d’échelle.
Une fiscalité carbone adaptée : un prix du CO2 élevé permettrait de réduire l’écart de coût avec le reformage du gaz naturel. Ce levier s’accompagne cependant de considérations socio-économiques complexes vis-à-vis des populations les plus démunies.
La poursuite de la baisse du coût des énergies renouvelables comme le solaire et l’éolien afin de rendre compétitive l’électricité décarbonée nécessaire pour l’électrolyse.
L’amélioration des techniques de captage de CO2 et un accès facilité à ce dernier – il est nécessaire dans certaines voies de transformation comme la méthanation ou la technique Fischer Tropsch.
Le déploiement d’un nouveau cadre dans le secteur électrique : la mise en place d’une infrastructure adaptée aux énergies renouvelables et à leur stockage demandera des investissements conséquents dont la mise en oeuvre se fera sur le long terme.