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Le couteau suisse de la génétique Nobélisé

Le prix Nobel de chimie 2020 vient d’être attribué à la française Emmanuelle Charpentier et à l’américaine Jennifer Doudna. Elles sont récompensées pour la découverte d’un outil génétique formidable, le CRISP-Cas9. On
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Le prix Nobel de chimie 2020 vient d’être attribué à la française Emmanuelle Charpentier et à l’américaine Jennifer Doudna. Elles sont récompensées pour la découverte d’un outil génétique formidable, le CRISP-Cas9. On connait tous l’ADN molécule charpente de nos génomes (1) et caractéristique de toutes les cellules, dont les nôtres. Pour modifier ou éditer le génome il faut pouvoir modifier les séquences de cette molécule. Jusqu’en 2012 on utilisait d’abord des nucléases dites à doigt de zinc, des méganucléases puis des nucléases de type activateur de transcription (2). Ces méthodes nécessitaient des opérations de biologie moléculaire et étaient longues et exigeantes en instruments et équipements spéciaux donc onéreuses.

Or, dans la nature, de nombreuses bactéries possèdent dans leurs génomes de longues séquences qui se répètent régulièrement appelées CRISPR (Clustered Regurarly Interspaced Short Palindromic Repeats). Ces séquences permettent aux bactéries de conserver la mémoire d’une infection par un virus pour s’en débarrasser lors d’une prochaine attaque.

En effet lors de l’infection par un virus, des séquences de celui-ci sont intégrées au sein des propres séquences CRISPR du génome de la bactérie. Lors d’une nouvelle infection, l’ADN viral au sein du CRISPR est recopié en ARN associée à la protéine Cas9 qui alors se fixe sur l’ADN du virus et l’inactive en le coupant (3).

Toute l’intelligence d’Emmanuelle Charpentier et de Jennifer Doudna a été de s’inspirer de ce mécanisme mis en jeu par des bactéries pour couper des brins d’ADN à un endroit précis du génome pour n’importe quelle cellule, comme un ciseau moléculaire. L’outil biologique est alors constitué d’une ARN guide associée à l’enzyme Cas9. Une fois l’ADN coupée on peut intervenir dans le système de réparation qui va recoller les deux extrémités du brin d’ADN soit :

  • en ajoutant ou en enlevant des nucléides à chaque extrémité des morceaux du brin. On provoque alors une anomalie de la séquence cible, le gène devient alors inactif ou réparé.
  • en ajoutant une séquence d’ADN synthétique (4) sur l’anomalie génétique repérée sur la séquence. Le système de réparation l’intègre au niveau de la coupure et le gène est corrigé et réparé.

Le schéma suivant résume assez bien l’opération. Cette méthode découverte par les deux chercheuses est précise, peu coûteuse et facile à mettre en œuvre,  ce qui a permis à des milliers de laboratoires de l’utiliser dans le monde entier après 2015 car les applications sont nombreuses.

Sur les animaux, des chercheurs après identification des gènes responsables ont pu grâce à cette méthode augmenter la masse musculaire de chiens, créer des vaches laitières sans cornes.

Sur les végétaux par CRISPR on a créé des champignons de Paris qui ne brunissent pas lorsqu’on les coupe. On a aussi imaginé des plantes vivrières résistantes mieux à la sécheresse pour les pays chauds…

L’INSERM a ainsi travaillé sur les gènes d’anophèles pour donner une race de moustiques résistante au paludisme et qui en se multipliant ne peuvent plus transmettre ce fléau (5).

 

De nombreux chercheurs dont Jennifer Doudna ont attiré l’attention sur les problèmes éthiques posés par cette découverte qui peut multiplier à l’échelle de la planète les modifications génétiques. Déjà en Europe il y a une retenue générale sur les applications aux plantes « génétiquement modifiées ». Dans le monde il semble aussi y avoir un consensus sur les applications à l’homme et la recherche sur les fœtus. Plusieurs biologistes éminents se sont prononcés sur les dangers de modifier le patrimoine génétique germinal qui peut le transmettre à la descendance et toucher ainsi au patrimoine génétique de l’humanité. Pour l’instant, en 2020 Jennifer Doudna poursuit ses recherches à l’université de Californie à Berkeley et Emmanuelle Charpentier est directrice de l’Institut Max Planck « sur la science des pathogènes » à Berlin où elle continue ses recherches en biologie commencées à l’Institut Pasteur de Paris (1992-1995).

Jean-Claude Bernier
Octobre 2020

Pour en savoir plus
(1) La chimie dans les empreintes génétiques
(2) L’édition du génome : une révolution en marche
(3) Outils CRISPR pour étudier et combattre les bactéries pathogènes
(4) De la chimie de synthèse à la biologie de synthèse
(5) Les maladies tropicales négligées. Un modèle coopératif au service de l’innovation scientifique et médicale
Ciblage des défauts de réparation de l’ADN : nouvelles molécules et approches thérapeutiques utilisant la létalité synthétique
Manipulation génétique : des ciseaux moléculaires à double tranchant

 

Crédits : infographie © Ask Media pour le Parisien ; portraits © Nobel Media. III. Niklas Elmehed

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Fête de la Science 2020

Entre la rentrée scolaire et la fête de la Science, la chimie bat son plein : en guise d’entrée en matière, Mediachimie vous propose une sélection de ressources ancrées sur l’actualité scientifique et économique,
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Entre la rentrée scolaire et la fête de la Science, la chimie bat son plein : en guise d’entrée en matière, Mediachimie vous propose une sélection de ressources ancrées sur l’actualité scientifique et économique, illustrant les nouvelles technologies de la recherche et l’industrie.


Vous trouverez également des ressources à destination des enseignants de tous niveaux :

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Lauréats du Grand Prix 2020 de la Fondation de la Maison de la Chimie

Le Grand Prix 2020 de la Fondation de la Maison de la Chimie a été attribué conjointement, en raison de l’impact de leurs travaux en sciences des matériaux polymériques, au Professeur Guy BERTRANDet au Professeur
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Le Grand Prix 2020 de la Fondation de la Maison de la Chimie a été attribué conjointement, en raison de l’impact de leurs travaux en sciences des matériaux polymériques,

au Professeur Guy BERTRAND
et au Professeur Krzysztof MATYJASZEWSKI.

Voir le communiqué de presse (PDF)

 

Le Grand Prix 2020 de la Fondation de la Maison de la Chimie a été attribué :

  • au Professeur Guy BERTRAND, pour son travail sur la stabilisation d’espèces hautement réactives, en particulier les carbènes. Ces derniers ont en effet trouvé de nombreuses applications en chimie organique, inorganique et organométallique, ainsi que dans le domaine de la synthèse de polymères et de matériaux,

et

  • au Professeur Krzysztof MATYJASZEWSKI, pour son travail sur les polymères et notamment sur la polymérisation radicalaire par transfert d’atomes qui a révolutionné la façon dont les macromolécules des polymères sont fabriquées.


Guy Bertrand, chimiste français, directeur de recherche de classe exceptionnelle du CNRS, est actuellement Professeur de chimie du Département de Chimie et Biochimie de l'Université de Californie, San Diego (La Jolla, Californie, USA).

Krzysztof Matyjaszewski, chimiste d’origine polonaise, est aujourd’hui Professeur de chimie à l’Université Carnegie Mellon (Pittsburgh, Pennsylvanie, USA).

En savoir plus sur le Grand Prix de la Fondation

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Un vaccin, oui, mais quel vaccin ?

Les annonces se sont multipliées cet été sur « les vaccins » contre la Covid-19 (1). Un vaccin américain promis en juin par Donald Trump avant octobre, l’homologation d’un vaccin russe annoncée en août par Vladimir
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Les annonces se sont multipliées cet été sur « les vaccins » contre la Covid-19 (1). Un vaccin américain promis en juin par Donald Trump avant octobre, l’homologation d’un vaccin russe annoncée en août par Vladimir Poutine… Sont sur les rangs 167 projets dont 30 sont en phase préclinique et 8 qui seraient dans les dernières phases de tests en Chine, aux États-Unis, au Royaume-Uni, en Russie. Ces annonces plus politiques que scientifiques montrent s’il en était besoin l’importance du challenge à la fois nationaliste et financier de cette course au vaccin.

Qu’est-ce donc qu’un vaccin ?

Un vaccin peut être une macromolécule chimique ou un produit d’origine biologique composé de plusieurs entités moléculaires.

Son objectif est de protéger d’une maladie les populations auxquelles il est administré. Ils font tous appel au même principe : stimuler les défenses immunitaires contre un agent infectieux en introduisant dans l’organisme cet agent ou une fraction de cet agent (un antigène) rendu inoffensif pour l’homme. C’est ce même principe qui permit à Edward Jenner en 1796 d’expérimenter sur un jeune garçon l’inoculation du pus d’une maladie de la vache « la vaccine » qui l’a protégé d’une maladie qui faisait des ravages depuis l’Antiquité « la variole » : la vaccine contenait un antigène bénin de la maladie qui tuait l’homme. Puis Louis Pasteur en 1880 fit un pas de plus en proposant « l’atténuation de la virulence » en laboratoire et l’a appliquée contre le charbon et la rage (2).

La mise au point et la fabrication d’un vaccin sont souvent longues et complexes avec un chemin marqué à chaque étape par les contrôles de qualité et de sécurité.

La substance active

Il faut produire un antigène (3) provenant du germe qui provoque la maladie, virus, bactérie ou parasite. Cet antigène va par la suite déclencher une réponse immunitaire par la synthèse de nouvelles molécules dirigées contre lui. Ces molécules, dites anticorps, sont produites par des cellules immuno-compétentes qui vont renseigner les caractéristiques de l’ennemi et mémoriser l’ensemble de ses caractéristiques. Ainsi en cas de nouvelle attaque l’ennemi est vite repéré, reconnu et neutralisé.

L’antigène peut être un germe vivant atténué (cas des vaccins contre les oreillons, la rougeole, la tuberculose) ou un germe ou une fraction de germe inactivé. Maintenant certains vaccins sont produits par génie génétique, ils sont appelés vaccins vivants recombinants (vaccin contre l’hépatite). Les gènes responsables du pouvoir pathogène sont inactivés ou éliminés. Les bactéries ou les virus sont alors inoffensifs mais reconnus comme identiques aux souches naturelles par le système immunitaire.

La fabrication du vaccin et la mise en forme pharmaceutique

La fabrication se fait selon les étapes suivantes. Il faut :

  • caractériser le germe au sein d’une banque regroupant des virus ou des bactéries avec des propriétés constantes ;
  • maitriser la culture et multiplier les germes grâce au contrôle des différents paramètres : durée, température, pression… ;
  • récolter par extraction du milieu de la culture l’antigène ou tout facteur antigénique identifié ;
  • purifier et concentrer en enlevant les impuretés à travers des procédés chimiques (extraction, centrifugation) ;
  • inactiver la substance, en fonction des cas par la chaleur ou un agent chimique (par exemple le formaldéhyde – méthanal - qui supprime le pouvoir pathogène, en gardant la capacité à déclencher la réponse immunitaire ;
  • utiliser des techniques de recombinaisons génétiques qui permettent aussi de susciter par le virus ou la bactérie des antigènes d’autres organismes. Le rassemblement des valences antigéniques dans un seul composé permet alors de vacciner contre plusieurs bactéries ou virus (cas du vaccin antipoliomyélite contre 3 types de poliovirus).

La mise en forme pharmaceutique passe par les étapes suivantes :

  • assemblage des valences pour les vaccins combinés, comme le TABDT (typhoïde, paratyphoïde A et B, diphtérie et tétanos) ou le DT-Polio (diphtérie, tétanos, poliomyélite)
  • formulation par ajout d’adjuvants pour améliorer l’efficacité et augmenter la réponse immunitaire (sels d’aluminium) et stabilisants (4). Cette étape est très critique dans l’ensemble du processus, car le vaccin préparé n’est pas forcément très immunogène, il doit être accompagné de substances capables de l’aider à déclencher une réponse immunitaire parfaitement maitrisée. Il faut savoir que la réponse immunitaire implique une coopération cellulaire. Elle est très dépendante des caractéristiques de chaque individu, d’où la difficulté de trouver un vaccin universel sans effets secondaires majeurs pour l’ensemble de la population ;
  • répartition aseptique en flacon ou en seringue en milieu stérile ;
  • lyophilisation pour enlever l’eau si nécessaire et obtenir une poudre ;
  • conditionnement, étiquetage et mise en boite des lots qui peuvent représenter des millions de doses ;
  • contrôle par l’industriel et une autorité indépendante et libération des lots ;
  • livraison des lots en pharmacie, hôpitaux, centres de vaccinations.

Et pour la Covid-19 ?

il faut se rappeler ici que nous avons affaire à un virus et comprendre comment se font aussi les vaccins contre la grippe (5) causée par des virus de même genre, dits mixovirus. Chaque année des experts sélectionnent une collection d’agents infectieux qui varient d’une campagne à l’autre par mutations et constituent une banque de virus pathogènes. Les industriels cultivent alors ces virus sur des œufs de poules puis en extraient l’antigène ou des substances antigéniques, et les concentrent suivant les étapes de fabrication déjà décrites. La stratégie pour le coronavirus peut être la même en s’assurant que l’inactivation du virus sera stable.

L’autre stratégie consiste à se focaliser sur la protéine Spike cette fameuse « clé » qui se dresse autour de la sphère du coronavirus et qui se fixe sur les cellules nasales. Cette protéine peut être aussi synthétisée et produite par génie génétique (injection de l’ARN correspondante et production en masse de cette protéine d’intérêt) (6).

On dispose donc plusieurs stratégies : celle de la protéine recombinante (génie génétique) ou celle de l’extraction du virus de base.

Le groupe Sanofi Pasteur, un des leaders des vaccins contre la grippe et vaccins pédiatriques, mise comme pour la grippe sur ces deux aspects en association avec la société GSK (GlaxoSmithKline). Le vaccin semble être en phase de développement clinique, ce qui permettrait si tout se passe bien une mise sur le marché de plusieurs milliards de doses courant 2021. Il en est de même avec l’américain Translate Bio.

Il n’en reste pas moins vrai que la route avant la commercialisation est longue (7). Après les essais précliniques sur animaux, intervient la phase 1 où l’administration de doses est faite sur 10 à 100 personnes, puis l’administration concerne 50 à 500 personnes en phase 2 et lors de la troisième phase plusieurs milliers de personnes dans une zone où le virus circule activement. Déjà AstraZeneca a suspendu ses essais le 8 septembre à la suite de troubles graves sur certains patients au Royaume-Uni puis a pu reprendre les essais après quelques jours.

Le vaccin russe n’a pas encore entamé la phase 3, de même aux États-Unis. On ne sait pas grand-chose pour les vaccins chinois. C’est lors de la phase 3 que se manifestent les problèmes de sécurité et d’efficacité avec un lot de surprises. Les premiers à entrer dans la dernière phase ne seront pas forcément les premiers sur le marché et c’est encore là que se testeront les vaccins avec des efficacités plus ou moins bonnes.

Jean-Claude Bernier, Danièle Olivier et Constantin Agouridas
Octobre 2020

Pour en savoir plus
(1) Le coronavirus, un défi pour la chimie du vivant
(2) Pasteur et le vaccin contre la rage (vidéo)
(3) Immunoconjugués cytotoxiques, anticorps « armés » contre le cancer
(4) Les adjuvants aluminiques dans les vaccins
(5) Frimas, rhumes et grippes…
(6) L’innovation diagnostique au service des défis de la médecine personnalisée pour la prise en charge du sepsis et des maladies infectieuses
(7) La chimie dans la vie quotidienne : au service de la santé (Chimie et… junior)

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Retrouvez le Village de la chimie les 12 et 13 mars 2021

Le prochain Village de la chimie aura lieu les 12 et 13 mars. Réservez la date ! En attendant vous pouvez retrouver les vidéos de l’édition 2020. Le planning des ateliers du Village 2021 sera disponible courant décembre.
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Le prochain Village de la chimie aura lieu les 12 et 13 mars. Réservez la date !

En attendant vous pouvez retrouver les vidéos de l’édition 2020.

Le planning des ateliers du Village 2021 sera disponible courant décembre. Compte tenu de la situation sanitaire actuelle, les dispositions relatives à cet événement seront communiquées le plus rapidement possible.
 

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Nouveaux dossiers pédagogiques pour les terminales

Cette année 2020/2021, le partenariat entre La Fondation de la Maison de la Chimie et Les Éditions Nathan se prolonge pour proposer des ressources adaptées au programme de spécialités des terminales série générale et
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Cette année 2020/2021, le partenariat entre La Fondation de la Maison de la Chimie et Les Éditions Nathan se prolonge pour proposer des ressources adaptées au programme de spécialités des terminales série générale et terminales STL et STI2S : voir le sommaire | télécharger le sommaire (PDF) 

Voir les premiers dossiers

 

Les deux premiers dossiers pédagogiques de cette année traitent des points des programmes de 1re de spécialité et de 1re ST2S afin de revenir sur des thématiques et des sujets de la classe de 1re à approfondir en terminale.

Si vous n’avez pas déjà eu l’occasion de les découvrir, vous pouvez parcourir :

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L’hydrogène au secours de l’économie européenne ?

Le 23 juillet 2020, la Commission européenne a présenté à Bruxelles les plans pour le système énergétique de l’avenir et pour l’hydrogène propre. Ces plans doivent ouvrir la voie à un secteur de l’énergie plus efficace et
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Le 23 juillet 2020, la Commission européenne a présenté à Bruxelles les plans pour le système énergétique de l’avenir et pour l’hydrogène propre. Ces plans doivent ouvrir la voie à un secteur de l’énergie plus efficace et plus interconnecté. Les stratégies prévoient un nouveau programme d’investissements dans les énergies propres dans le cadre du plan de relance, pour stimuler la reprise économique suite à la crise du coronavirus. Parmi ces programmes s’inscrit « la stratégie de l’Union européenne pour l’hydrogène » et dans la foulée se crée « l’alliance européenne pour un hydrogène propre » avec les industriels du secteur, la société civile, les ministères nationaux et la Banque européenne d’investissement.

À cet effet et concrètement, la feuille de route de la transition est la suivante :

Emboitant le pas à la marche politique triomphale vers le verdissement de ce gaz léger cher aux chimistes, l’Allemagne a annoncée fin juin vouloir devenir le numéro 1 du secteur avec 9 milliards € d’investissement suivi par la France qui en ce début septembre annonce y consacrer 2 milliards € dans le plan de relance.

L’hydrogène serait-il devenu comme le protoxyde d’azote un gaz hypnotique pour nos politiques ? Nos lecteurs de mediachimie.org connaissent bien l’hydrogène comme vecteur énergétique et ses applications.

C’est un gaz industriel important, 75 millions de tonnes sont fournis annuellement à l’industrie pour la désulfuration en pétrochimie (2), la synthèse de l’ammoniac et des engrais azotés (3), mais aussi pour l’alimentaire, l’électronique, la métallurgie sans oublier le spatial. En France la production est de 1 million de tonnes et à 96% cet hydrogène vient du vaporeformage (4) qui correspond à la réaction suivante 2 H2O + CH4 = CO2 + 4 H2 . Une réaction similaire est possible avec les hydrocarbures, et la production d’une tonne d’hydrogène s’accompagne donc de 6 à 10 tonnes de gaz carbonique d’où le nom d’ « d’hydrogène gris », dont le prix de revient est de l’ordre de 1 € /kg.

Actuellement, pour moins de 4%, l’hydrogène est produit par l’électrolyse de l’eau. Le procédé le plus mature est l’électrolyse alcaline avec une solution de potasse comme électrolyte. Les procédés modernes utilisent des électrodes bipolaires et travaillent sous une pression de 30 bars pour un rendement électrochimique supérieur à 70%. À l’anode on dégage de l’oxygène

2 OH- → ½ O2 + H2O + 2e-

et à la cathode se dégage l’hydrogène

2 H2O + 2e- → H2 + 2 OH-

Une autre méthode est l’échange sur membrane polymère avec catalyseur platine dite PEM pratiquement l’inverse de la pile à hydrogène, qui a un bon rendement mais moins mature du point de vue industriel.

Cet hydrogène issu de l’eau revient de 3 à 6 €/kg en fonction du coût de l’électricité. Si celle-ci est produite par procédé renouvelable, éolien, photovoltaïque ou l’hydraulique alors il est dit «  hydrogène vert ». On comprend bien que la politique de décarbonisation de l’énergie (5) conduit à condamner le vapo reformage et à fixer comme objectif la croissance des couples électricité renouvelable-électrolyseur.

Voyons si la stratégie européenne est compatible avec les contraintes électrochimiques, thermodynamiques et économiques.

De nombreux industriels maitrisent assez bien l’électrolyse. Plusieurs français dont McPhy commercialisent des installations de plusieurs MW. L’exemple d’Apex Energy ,qui dispose d’électrolyseur des 2 MW, produit environ 1000 m3/h soit environ 700 t /an. Si elle fonctionne avec une énergie renouvelable dont le taux de charge est au mieux de 25% on peut compter par MW de 100 à 120 t/an. Une installation de 1 GW produira alors 120.000 tonnes et les 6 GW prévus en Europe en 2024, 720.000 tonnes soit 7% de la consommation européenne de 10 millions de tonnes.

À quel prix ?

Une très belle étude de l’APHYPAC * donne pour 2020 un coût de l’ordre de 1000 € à 800 € /kW pour un électrolyseur couplé à un réseau d’électricité renouvelable soit donc 1 milliard € à 800 millions € par GW. On comprend alors le prix du ticket d’entrée pour cette transition.

Sur quelle surface ?

Avec les derniers progrès des électrodes bipolaires et la pressurisation pour l’électrolyseur on compte 45 m2 d’emprise au sol /MW soit donc 4,5 hectares pour 1 GW, auquel il faudrait ajouter l’emprise au sol du champ d’éoliennes ou de panneaux photovoltaïques, soit 200 éoliennes de 5 MW sur 100 hectares ou 1 GW de photovoltaïque sur 2000 hectares, à moins de produire en off-shore. On voit que les contraintes financières et physiques à l’échéance 2050 ou même 2030 ne sont pas aussi simples que l’on pense.

Alors, pourquoi cet emballement politique, financier et médiatique ?

C’est que les promesses de l’industrie de l’hydrogène sont importantes. Passons sur l’opportunité de l’hydrogène décarboné pour l’industrie chimique et métallurgique si son prix arrive à concurrencer celui du vaporéformage.

Le secteur du transport est lui bien concerné par un carburant non polluant ne laissant comme gaz d’échappement que de l’eau et de l’azote grâce à la pile à hydrogène (6) (7) fournissant l’électricité aux moteurs. Grâce à des champions européens Alstom, Air liquide et Linde les trains Coradia iLint (8) roulent déjà en Allemagne et vont bientôt remplacer nos vieux TER régionaux. Le secteur des poids lourds qui peuvent eux aussi supporter le poids du « pack » de la pile à hydrogène est en attente. L’exemple de la jeune société américaine Nikola Corporation spécialiste des camions à hydrogène valorisée à 30 milliards de dollars à son entrée en bourse est tout simplement fou. Pour l’automobile des particuliers, la bataille sera rude entre le véhicule électrique et celui à hydrogène (9). Le poids et le prix du « pack » et du réservoir composite tenant à la pression de 700 bars représentent près de 50% du prix de l’automobile (32.000 € sur 70.000 €). Le prix à la pompe du kg d’hydrogène, le manque de station haute pression, le mauvais rendement thermodynamique, handicapent pour l’instant son développement.

En sachant qu’un électrolyseur de nouvelle génération fournit environ 1 Nm3 d’hydrogène par 3,5 kWh, et si on suppose que l’hydrogène vert est issu d’une source électrique ne dégageant pas de CO2 alors l’électricité nucléaire à 4 centimes du kWh mettra le kg d’hydrogène à 1,30 € concurrent de l’hydrogène gris. Serait-ce l’hydrogène « vert clair » ?


* Production d’hydrogène par électrolyse de l’eau (fiche 3.2.1)-Association française pour l’hydrogène et les piles à combustible

Septembre 2020
Jean-Claude Bernier

Pour en savoir plus
(1) Qu’est-ce que l’hydrogène vert ? (Question du mois)
(2) Comment assainir l’atmosphère des villes ? L’hydrotraitement (Fiche Réaction en un clin d’oeil)
(3) Comment fabriquer des engrais avec de l’air ? La synthèse de l’ammoniac (Fiche Réaction en un clin d’oeil)
(4) Et revoilà l’hydrogène
(5)L’hydrogène, une source d’énergie pour le futur
(6) H2O ou comment la synthèse de l’eau conduit à la pile à hydrogène ? (Fiche Réaction en un clin d’oeil)
(7) Hydrogène, la roue libre (vidéo)
(8) Vive le Coradia iLint
(9) De nouveaux véhicules automobiles pas très verts !