Hydrogène et espace, une longue histoire commune

Depuis plus de soixante ans, l’hydrogène a toute sa place dans l’espace – et l’histoire com­mune de l’hydrogène et de l’espace est loin d’être ter­mi­née. Notam­ment la relance des mis­sions lunaires ramène l’attention sur l’hydrogène comme source d’énergie, indis­pen­sable à leur bon accomplissement.

En 1807, l’année où les frères Nicé­phore et Claude Niépce construisent un moteur à com­bus­tion interne pro­pul­sant un bateau pour remon­ter la Saône, un ingé­nieur suisse, Fran­çois Isaac de Rivaz, construit le pre­mier moteur à com­bus­tion interne fonc­tion­nant à l’hydrogène et à l’oxygène. Ce moteur pro­pul­sait un cha­riot à quatre roues, consi­dé­ré comme le pre­mier véhi­cule de type auto­mo­bile pro­pul­sé par un moteur à com­bus­tion interne. Et Jules Verne écrit en 1875 dans L’Île mys­té­rieuse : « Je crois que l’eau sera un jour employée comme com­bus­tible, que l’hydrogène et l’oxygène qui la consti­tuent, uti­li­sés seuls ou ensemble, four­ni­ront une source inépui­sable de cha­leur et de lumière, d’une inten­si­té dont le char­bon n’est pas capable. » Jules Verne était comme sou­vent visionnaire.

Éloge de l’hydrogène

L’utilisation de l’hydrogène, élé­ment à la fois le plus abon­dant, le plus léger dans l’univers et très réac­tif, n’a ces­sé d’augmenter dans les domaines des trans­ports et de l’énergie. Il a per­mis aux bal­lons et aux diri­geables de s’élever, il a joué un rôle essen­tiel dans la révo­lu­tion indus­trielle et il est omni­pré­sent depuis le milieu du XX^e siècle pour la pro­duc­tion de l’ammoniac ou le raf­fi­nage du pétrole. De plus, l’hydrogène comme vec­teur d’énergie est deve­nu depuis quelques années un objec­tif majeur de la tran­si­tion envi­ron­ne­men­tale. Il est une des prin­ci­pales options pour sto­cker ou trans­por­ter l’énergie pro­ve­nant de sources renou­ve­lables (solaire, éolien). Il offre, s’il est pro­duit à par­tir de l’électrolyse de l’eau et de com­bus­tibles fos­siles avec cap­tage du car­bone, des moyens de décar­bo­ner des sec­teurs dif­fi­ciles à décar­bo­ner, tels que les pro­duits chi­miques et la sidé­rur­gie, mais aus­si poten­tiel­le­ment les trans­ports sur les longues distances.

L’hydrogène au service des lanceurs spatiaux

Pour ce qui concerne le trans­port spa­tial, l’hydrogène est un car­bu­rant lar­ge­ment employé depuis les débuts de la conquête spa­tiale, essen­tiel­le­ment en rai­son de sa légè­re­té. Dès 1966, afin d’accroître la capa­ci­té d’emport du lan­ceur amé­ri­cain Atlas (déri­vé du pre­mier mis­sile balis­tique inter­con­ti­nen­tal), l’étage Cen­taur uti­lise le couple hydro­gène liquide (LH₂)-oxy­gène liquide (LO_x), ce qui per­met au lan­ceur Atlas-Cen­taur de lan­cer la sonde spa­tiale Sur­veyor 1, pre­mière à réus­sir un atter­ris­sage sur la Lune. Par la suite, la famille de lan­ceurs Saturn, dont le Saturn 5 qui néces­site des per­for­mances inéga­lées pour emme­ner l’homme sur la Lune (118 tonnes en orbite basse, 47 tonnes en orbite de trans­fert lunaire), repose sur des moteurs d’étages supé­rieurs uti­li­sant éga­le­ment le mélange LO_x-LH₂.

De même, la famille de lan­ceurs euro­péens Ariane uti­lise depuis son pre­mier lan­ce­ment le 24 décembre 1979 des moteurs LO_x-LH₂, pour les étages supé­rieurs, puis éga­le­ment pour le pre­mier étage d’Ariane 5. Les moteurs cryo­gé­niques sont natu­rel­le­ment décar­bo­nés (ils émettent de la vapeur d’eau !) et leur den­si­té éner­gé­tique est consi­dé­rable, même si la com­plexi­té des opé­ra­tions d’ergols cryo­gé­niques est éga­le­ment considérable.

Lire aus­si : Déve­lop­pe­ment indus­triel de l’hydrogène et pas­sage à l’échelle

Des installations industrielles impressionnantes

Les lan­ceurs sont donc de gros consom­ma­teurs d’hydrogène. Dans les années 1960, le Ken­ne­dy Space Cen­ter abri­tait les plus grands sys­tèmes de sto­ckage et de trans­fert d’hydrogène liquide au monde, en sou­tien au pro­gramme lunaire Apol­lo. Des réser­voirs de 3 200 m³ de LH₂ ali­men­taient les deuxième et troi­sième étages de Saturn 5. Ils ont ensuite été uti­li­sés pour la navette spa­tiale et récem­ment élar­gis (4 700 m³) pour le Space Launch Sys­tem (SLS), le plus grand lan­ceur actuel de la Nasa. À Kou­rou, au Centre spa­tial guya­nais (CSG), Air Liquide pro­duit et condi­tionne les ergols cryo­gé­niques du lan­ceur Ariane 6. Les volumes sont plus modestes que sur le SLS mais néces­sitent tou­te­fois la mise en œuvre de huit réser­voirs semi-mobiles, 6 en basse pres­sion de 360 m³ cha­cun et 2 en moyenne pres­sion de 110 m³ chacun. 

Cette confi­gu­ra­tion assure le sto­ckage de 152 tonnes d’hydrogène liquide, volume néces­saire pour assu­rer trois ten­ta­tives de chro­no­lo­gie de lan­ce­ment consé­cu­tives. Le CSG et les Agences spa­tiales euro­péenne et fran­çaise (ESA et Cnes) sont par ailleurs en train de déve­lop­per le pro­jet HYGUANE (cf. enca­dré) qui vise à ali­men­ter les lan­ceurs Ariane en hydro­gène vert, tout en offrant au ter­ri­toire guya­nais des chances de déve­lop­pe­ment autour de nou­veaux usages de l’hydrogène bas car­bone, comme la mobi­li­té lourde ou encore l’usage sta­tion­naire via le sec­teur des piles à com­bus­tible, en rem­pla­ce­ment de solu­tions fos­siles très émet­trices de CO₂.

Le potentiel des piles à combustible

Le sec­teur spa­tial a aus­si été le pre­mier à recon­naître le poten­tiel des piles à com­bus­tible alca­lines, qui fonc­tionnent avec l’hydrogène et l’oxygène : inven­tées en 1932, elles ont été uti­li­sées par la Nasa dans les années 1960 pour les pro­grammes Gemi­ni, Apol­lo et Space Shut­tle afin de pro­duire de l’énergie élec­trique à bord, ain­si que de l’eau. Encore aujourd’hui, l’hydrogène est pro­duit à bord de la Sta­tion spa­tiale inter­na­tio­nale, dans laquelle l’eau pro­ve­nant de la trans­pi­ra­tion et de la res­pi­ra­tion des astro­nautes est recy­clée et trans­for­mée en eau potable. Une par­tie de cette eau potable est élec­tro­ly­sée afin de dis­so­cier l’oxygène, relâ­ché dans la cabine pour la res­pi­ra­tion, et l’hydrogène qui est com­bi­né avec le gaz car­bo­nique issu de l’expiration des astro­nautes et trans­for­mé en eau potable et en méthane.

L’espace au service de l’hydrogène

Au-delà de l’utilisation de l’hydrogène comme car­bu­rant, le sec­teur spa­tial peut four­nir des ser­vices et des solu­tions aux besoins de la pro­duc­tion d’hydrogène vert sur Terre, comme il le fait pour d’autres sources d’énergie. Les com­mu­ni­ca­tions par satel­lite per­mettent de sur­veiller et de contrô­ler la per­for­mance des cen­trales de pro­duc­tion, ain­si que le sto­ckage. Les satel­lites d’observation peuvent iden­ti­fier les régions per­ti­nentes pour l’installation de conver­tis­seurs d’énergie et éva­luer les res­sources natu­relles (eau, bio­masse, renou­ve­lables) qui per­met­tront de four­nir l’électricité pour l’électrolyse de l’hydrogène vert. L’espace a aus­si per­mis de repous­ser les limites de la fai­sa­bi­li­té tech­nique dans le domaine de l’énergie, par exemple pour les piles à com­bus­tible ou les cel­lules photovoltaïques.

Des recherches prometteuses

Compte tenu de l’importance des tech­no­lo­gies de l’hydrogène pour l’espace, l’Agence spa­tiale euro­péenne mène en col­la­bo­ra­tion avec l’industrie et les uni­ver­si­tés euro­péennes des acti­vi­tés de R & D sur la pro­duc­tion d’hydrogène vert, le sto­ckage avan­cé d’hydrogène à basse pres­sion et un sys­tème poly­va­lent de pro­duc­tion et de sto­ckage d’hydrogène (et d’oxygène) fon­dé sur des dis­po­si­tifs pho­to­élec­tro­chi­miques réver­sibles. Il s’agit par exemple d’augmenter l’efficacité de la pro­duc­tion d’hydrogène par élec­tro­lyse – avec des pre­miers résul­tats encou­ra­geants grâce à des élec­trodes tex­tu­rées qui amé­liorent de plus de 30 % la den­si­té de nucléa­tion et la fré­quence de déta­che­ment des bulles, ou d’utiliser des bac­té­ries pour une pro­duc­tion bio­lo­gique durable d’hydrogène par pho­to­élec­tro­chi­mie à par­tir de l’eau dans l’espace, mais aus­si sur Terre. Cer­taines bac­té­ries sont capables d’utiliser une large par­tie du spectre lumi­neux, y com­pris la lumière infra­rouge, et elles pro­duisent de grandes quan­ti­tés d’hydrogène en néces­si­tant peu d’eau.

L’hydrogène pour l’exploration à long terme

La pro­chaine décen­nie sera celle des mis­sions habi­tées vers la Lune, avec d’une part la sta­tion spa­tiale cis­lu­naire Gate­way et d’autre part les mis­sions habi­tées sur la Lune, pré­pa­rées par les USA en coopé­ra­tion avec l’Europe, mais aus­si par la Chine et l’I^nde. D’ores et déjà, la Nasa a fait le choix de l’hydrogène pour ses deux pro­jets de lan­ders habi­tés, Star­ship et Blue Moon. La mise en place d’une base lunaire habi­tée en per­ma­nence néces­si­te­ra de maî­tri­ser la pro­duc­tion in situ d’hydrogène comme source d’énergie. La fabri­ca­tion sur la Lune de car­bu­rants spa­tiaux (hydro­gène et oxy­gène) sera indis­pen­sable pour l’approvisionnement, la fai­sa­bi­li­té et la cré­di­bi­li­té éco­no­mique de telles infra­struc­tures lunaires habi­tées. La sta­tion Gate­way elle-même pour­rait ser­vir d’infra­structure de ravi­taille­ment en car­bu­rants pro­duits sur la Lune, beau­coup plus faciles à ache­mi­ner que depuis la Terre, en rai­son de la gra­vi­té moindre.

“La Nasa a fait le choix de l’hydrogène pour ses deux projets de landers habités.”

Toute une infrastructure…

L’hydrogène pour­rait être pro­duit à par­tir de l’eau lunaire sto­ckée sous forme de glace, dont l’existence est démon­trée. Dans un deuxième temps – et des start-up y tra­vaillent déjà –, des sys­tèmes robo­tiques pour­raient recueillir de l’eau soit direc­te­ment dans le régo­lithe lunaire, soit en trai­tant les miné­raux pré­sents dans le régo­lithe lunaire. Ces sys­tèmes robo­tiques pour­raient ensuite élec­tro­ly­ser l’eau pour pro­duire de l’hydrogène et de l’oxygène et éven­tuel­le­ment béné­fi­cier des tem­pé­ra­tures basses (< 15 kel­vins) dans les régions d’ombre per­ma­nente pour main­te­nir ces pro­per­gols à l’état cryo­gé­nique. Des véhi­cules de ser­vice pour­raient dis­tri­buer ces res­sources pour les besoins des trans­ports cis­lu­naires. Pour pro­duire de l’hydrogène lunaire, il fau­dra mettre en place toute une infra­struc­ture : fermes solaires pour pro­duire de l’électricité abon­dante et abor­dable, extrac­tion de l’eau, élec­tro­lyse en LH₂ et LO_x, trans­port, main­te­nance et sto­ckage. Les investis­sements seront sub­stan­tiels – plu­sieurs mil­liards, voire dizaines de mil­liards d’euros – mais, pour­vu que la cadence de grandes mis­sions lunaires soit suf­fi­sante, le modèle éco­no­mique pour­rait être suf­fi­sam­ment ren­table et pro­fi­table pour atti­rer des inves­tis­se­ments pri­vés et assu­rer des retours dans des sec­teurs comme l’aéronautique ou l’énergie terrestre.

HYGUANE

HYGUANE est l’acronyme d’HYdrogène GUya­nais A Neu­tra­li­té Envi­ron­ne­men­tale. Comme son nom l’indique, le pro­jet – por­té par l’ESA (maître d’ouvrage) et le Cnes (maître d’œuvre) – a une ambi­tion : déployer en Guyane un éco­sys­tème com­plet pour la pro­duc­tion et la distri­bution d’hydrogène décar­bo­né. Il s’inscrit dans la tra­jec­toire bas car­bone de la base spa­tiale qui vise à rem­pla­cer les matières fos­siles uti­li­sées dans les pro­ces­sus indus­triels par des sources renouve­­lables. Actuel­le­ment les lan­ceurs sont ali­men­tés par de l’hydrogène pro­duit par vapo­reformage de métha­nol impor­té, réac­tion très émet­trice de gaz à effet de serre. L’idée ini­tiale d’HYGUANE était de sub­stituer pro­gres­si­ve­ment à cet hydro­gène dit gris un hydro­gène renou­ve­lable pro­duit par élec­tro­lyse de l’eau à par­tir d’électricité bas car­bone. Outre l’aspect envi­ron­ne­men­tal, cela devrait aus­si répondre à des objec­tifs de com­pé­ti­ti­vi­té, puisque la filière lan­ceur sera moins expo­sée à la vola­ti­li­té des coûts des matières fos­siles et aux aléas d’appro­visionnement.

Né de réflexions enta­mées en 2018, HYGUANE s’est rapi­de­ment ouvert sur l’extérieur. La Guyane a un objec­tif d’autonomie éner­gé­tique en 2030 et l’hydrogène décar­bo­né peut répondre à des besoins ter­ri­to­riaux tels que la mobi­li­té et le sto­ckage d’énergie. Cette évo­lu­tion du pro­jet explique les dif­fé­rentes briques qui le com­posent aujourd’hui, ain­si que le nombre et la diver­si­té de ses par­ties pre­nantes : ins­ti­tu­tion­nelles, indus­trielles et universitaires.

« La Guyane a un objectif d’autonomie énergétique en 2030 et l’hydrogène décarboné peut répondre à des besoins territoriaux tels que la mobilité et le stockage d’énergie. »

Pre­mière brique : L’ESA et le Cnes vont mettre en place dans l’enceinte du Centre spa­tial guya­nais (CSG) un champ photo­voltaïque d’une capa­ci­té de 5 MWc, dans le but de four­nir de l’électricité bas car­bone bon mar­ché pour ali­men­ter l’électrolyseur.

La deuxième brique, confiée à Air Liquide Spa­tial Guyane (ALSG), est la construc­tion de l’unité de pro­duc­tion d’hydrogène renou­ve­lable. Doté d’une puis­sance de 1,25 MWe, l’électrolyseur pro­dui­ra de l’hydrogène gazeux. Une par­tie irri­gue­ra l’unité de liqué­fac­tion pour ali­men­ter le lan­ceur, tan­dis que le com­plé­ment ser­vi­ra les autres usages : sta­tion­naire et mobi­li­té. Pour ces der­niers, ALSG va créer un centre de condi­tion­ne­ment d’hydro­gène gazeux à 200 bars afin de faci­li­ter la dis­tri­bu­tion de la molé­cule vers les usa­gers du territoire.

Troi­sième brique : l’installation au sein de la base, sur le site ELM (ensemble de lan­ce­ment mul­ti-lan­ceur, ex-site de lan­ce­ment de la fusée Dia­mant), d’une pile à com­bus­tible fonc­tion­nant à l’hydrogène déve­lop­pée avec l’université de Liège et la socié­té Be.Blue. Cette solu­tion pour­rait rem­pla­cer, au CSG et ailleurs en Guyane, les bat­te­ries et groupes élec­tro­gènes très émet­teurs de CO₂.

Qua­trième brique : l’ouverture sur le site de Kou­rou de la pre­mière sta­tion-ser­vice à hydro­gène guya­naise. Elle pour­ra dis­tri­buer chaque année plu­sieurs dizaines de tonnes de car­bu­rant et ser­vi­ra de cata­ly­seur à la nais­sance de la filière H₂ mobi­li­té propre du territoire.

La cin­quième brique, por­tée par l’industriel alle­mand MT Aeros­pace, cou­vri­ra la qua­li­fi­ca­tion en envi­ron­ne­ment tro­pi­cal des pre­miers véhi­cules pro­pul­sés à l’hydrogène qui cir­cu­le­ront en Guyane : deux trac­teurs rou­tiers 44 t, un uti­li­taire et un mini­bus. MT Aeros­pace aura éga­le­ment la charge de déployer un centre de com­pé­tence hydro­gène, qui héber­ge­ra un ate­lier de main­te­nance pour les usages mobi­li­té-sta­tion­naires et un centre de for­ma­tion aux métiers de l’hydrogène, afin de doter le ter­ri­toire du savoir-faire néces­saire à l’expansion des filières.

« Le pilote industriel sera capable de produire et distribuer 110 tonnes d’hydro­gène renouvelable par an. »

HYGUANE va se déployer sur trois hori­zons de temps : immé­diat, à cinq ans et à plus long terme (dix ou quinze ans). Le pilote indus­triel sera capable de pro­duire et dis­tri­buer 110 tonnes d’hydro­gène renou­ve­lable par an et per­met­tra de vali­der les aspects tech­niques et finan­ciers de la filière en milieu tro­pi­cal humide. Le pro­jet va ensuite mon­ter en puis­sance, avec une pro­duc­tion crois­sante d’hydro­gène renou­ve­lable et un dévelop­pement de ses usages, avec pour objec­tif d’assurer 100 % des besoins Ariane 6 en 2032.

Le pro­jet entre dans sa phase de déve­lop­pe­ment ; l’accord de consor­tium mul­ti­par­tie et les contrats de développe­ment ont été signés mi-décembre 2023, les pre­miers coups de pioche sont atten­dus au troi­sième tri­mestre 2024, pour une mise en ser­vice opé­ra­tion­nelle et le décol­lage de la pre­mière Ariane 6 pro­pul­sée à l’hydrogène bas car­bone au der­nier tri­mestre 2026 : la révo­lu­tion est en marche.

HYGUANE en chiffres clés 

• ~40 mil­lions d’euros d’investissement public‑privé pour la phase 1. 
• ~ 10 mil­lions d’euros éco­no­mi­sés dès la phase 1 sur la durée de vie du projet. 
• ~ 105 000 tonnes d’émissions de CO₂eq évi­tées (soit l’équivalent de 350 allers-retours d’un B777 Paris‑New York) sur toute la durée de vie du projet. 

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