Stockage de l'hydrogène
L’hydrogène est le gaz le plus léger de tout l’univers mais surtout le plus volumineux (1 litre d’hydrogène=90 mg). Pour se donner une idée il est 11 fois plus léger que l’air et pour 1kg (soit la quantité nécessaire à une voiture pour parcourir 100 km) il faudrait le volume d’une grande camionnette pour le contenir.
Il est donc indispensable de régler la question du stockage et pour cela il faut trouver des solutions pour augmenter sa densité.
Pour cela il existe aujourd’hui trois grands moyens:
-
le stockage à haute pression sous forme gazeuse
-
le stockage à très basse température sous forme liquide
-
le stockage à base d’hydrures sous forme solide
Le stockage à haute pression sous forme gazeuse
C’est la méthode la plus simple et la plus ancienne pour diminuer le volume d’un gaz. Elle consiste à, à température constante, augmenter sa pression. Aujourd’hui grâce aux nouveaux matériaux pour les réservoirs on arrive à atteindre 700 bars pour l’hydrogène à pression et température normale soit pour 5 kg d’hydrogène un réservoir de 125 litres.
C’est aujourd’hui la solution retenue par la majorité des constructeurs d’automobiles à hydrogène.
Différents réservoirs pour stocker l'hydrogène
Le stockage à très basse température sous forme liquide
Cette technique consiste consiste à faire passer l’hydrogène d’un état gazeux à un état liquide en l’amenant à des températures extrêmement basses (l’hydrogène se liquéfie lorsque l'on le refroidit à une température inférieure de -252,87°C). Ainsi on amène l’hydrogène a une masse volumique de 71 kg/m3. À cette pression, on peut stocker 5 kg d’hydrogène dans un réservoir de 75 litres.Mais afin de pouvoir conserver l’hydrogène liquide à cette température, les réservoirs doivent être parfaitement isolés et donc utiliser des technologies de pointe. Cette méthode est donc utilisée dans des domaines comme la propulsion spatiale. Ariane par exemple a des réservoirs contenant 28 tonnes d’hydrogène pour des réservoirs qui ne pèsent que 5.5 tonnes et qui n’ont qu’ 1.3 mm d’épaisseur.
La limite de ce procédé est que la liquéfaction et le maintien à basse température coûtent cher.
Le stockage à base d’hydrures sous forme solide
Cette technologie, développée et utilisée par Mc Phy energy, s’appuie sur les recherches du CNRS est la plus récente, elle consiste à stocker l’hydrogène sous forme d’hydrures métalliques c'est-à-dire de composés chimiques d’hydrogène avec un métal ou un alliage métallique et donc sous forme solide.
Certains métaux présentent la propriété de former des liaisons réversibles avec des atomes d’hydrogène. C’est le cas du palladium, du vanadium ou encore du magnésium combiné à l’hydrogène.
Le magnésium est broyé afin d’obtenir des cristaux de taille de l’ordre du nanomètre offrant une plus grande surface de contact avec l’hydrogène. Ensuite des additifs sont ajoutés afin d’accélérer le processus d'hydrogénation et de déshydrogénation du magnésium qui est alors assez courte. Les atomes d’hydrogène sont « absorbés » ou « désorbés » (c'est-à-dire se détachent des cristaux) en fonction de la température et de la pression du milieu.
L’absorption se produit sous 10 bars et la désorption à une pression de 2 bars. L’absorption dégage de la chaleur qui est captée pour ne pas bloquer la réaction.
Elle est restituée après pour faciliter la désorption de l’hydrogène. Le stockage est totalement réversible et presque toute l’énergie hydrogène stockée est récupérée à la fin de l’opération.
En résumé, l’hydrogène est stockée sous forme de pastilles d’hydrures de magnésium (MgH2) de 30 centimètres de diamètre contenant chacune 600 litres d’hydrogène. Ces pastilles sont conservées dans des réservoirs cylindriques recouverts d’une couche d’isolant thermique.
Stockage d'hydrogène sous forme d'hydrures solides
D'autres possibilités de stockage ?
Il existe aujourd’hui bien sur d’autres méthodes mais encore peu développées et demandant souvent des températures trop extrêmes demandant de l’énergie pour être atteintes ou conservées telles que les Cryoadsorbants (- 200°C), les Alanates(150°C), les Hydrures ioniques ( 300°C) ou encore les Borohydrures(> 400°C).
De nouveaux défis ?
Nous disposons aujourd'hui de trois méthodes fiables pour le stockage de l’hydrogène, la compresion sous forme gazeuse, le stockage à très basse température sous forme liquide et enfin la forme solide grâce aux hydrures. Mais ces moyens ont leur limite: le stockage sous haute pression pose beaucoup de question de sécurité et demande des matériaux toujours plus performant pour limiter le poids des réservoirs, la solution liquide demande des technologies de pointes pour l’isolation des réservoirs et le maintien à basse température ceci entraînant des coûts importants et reste réservés aux domaines tels que l’aéro-spatial, enfin la solution solide reste à approfondir.
Aujourd’hui, il reste donc quelques défis pour les ingénieurs, trouver des nouveaux matériaux ou améliorer ceux existants pour le stockage sous haute pression afin de pouvoir augmenter la pression, d'alléger le poids des réservoirs et d’augmenter la sécurité.
Pour le solide il faut travailler sur la nanostructuration des hydrures métalliques afin d’avoir plus d’hydrogène et moins d’hydrures (densité) et réussir à abaisser la température de désorption pour consommer moins d’énergie et avoir un meilleur rendement.
Le défi général est donc d’atteindre des fortes densité de stockage à température modérée (pour utiliser moins d’énergie) tout en restant en sécurité.
Pour cela, la stratégie et la recherche dans la nanostructuration, les matériaux hybrides et les nouveaux composés.