Le stockage, un verrou majeur de la filière hydrogène

L’hydrogène appa­raît comme une bonne alter­na­tive aux éner­gies fos­siles dont nous sommes très dépen­dants. Il per­met en effet de sto­cker mas­si­ve­ment de l’énergie sur une longue période de temps, et peut alors être uti­li­sé dans le cadre d’applications mobiles ou sta­tion­naires en uti­li­sant des piles à com­bus­tible ou par com­bus­tion directe. Selon sa pro­duc­tion, son impact car­bone peut éga­le­ment être très inté­res­sant. Tou­te­fois, son uti­li­sa­tion dépend for­te­ment de son sto­ckage, qui repré­sente actuel­le­ment un pro­blème cru­cial, par­ti­cu­liè­re­ment pour la mobi­li­té. Il est donc pri­mor­dial de conce­voir des réser­voirs légers, com­pacts, sûrs et peu coûteux !

Sto­ckage liquide à basse tem­pé­ra­ture et sto­ckage gazeux sous haute pression

L’hydrogène liquide est très éner­gé­tique et pos­sède une masse volu­mique de 71 kilo­grammes par mètre cube à pres­sion atmo­sphé­rique. Cepen­dant, sa liqué­fac­tion pré­sente un incon­vé­nient majeur : son coût en éner­gie, car l’hydrogène ne devient liquide qu’à −253 °C.  En outre, l’hydrogène liquide doit être sto­cké dans des réser­voirs cryo­gé­niques, qui sont pour la plu­part en acier inoxy­dable et ont des capa­ci­tés allant de quelques litres à plu­sieurs mil­liers de mètres cubes. L’isolation ther­mique de ces réser­voirs n’est cepen­dant pas par­faite, et il sub­siste tou­jours une ébul­li­tion du gaz (« boil-off ») cau­sée par des apports de cha­leur exté­rieurs, qui sont dus à des pro­blèmes d’isolation, de taille et de forme du réservoir. 

À l’état gazeux, l’hydrogène étant l’élément le plus léger, il occupe un volume sub­stan­tiel de 11 m³ par kilo­gramme dans les condi­tions nor­males de tem­pé­ra­ture et de pres­sion (0 °C sous   1,013 bar. Il est donc abso­lu­ment néces­saire de réduire ce volume afin de le sto­cker et de le trans­por­ter effi­ca­ce­ment. Pour cela, la pres­sion est une bonne alter­na­tive. Le sto­ckage d’hydrogène gazeux sous pres­sion, dans des bou­teilles cylin­driques en acier rem­plies sous 200 ou 250 bar, est une pra­tique stan­dard. Cepen­dant, il sub­siste deux incon­vé­nients prin­ci­paux à ce mode de sto­ckage : l’encombrement et la masse. Ces pro­blèmes d’encombrement et de masse ont été consi­dé­ra­ble­ment résor­bés depuis l’apparition de réser­voirs dits types III et IV, dont les struc­tures de ren­for­ce­ment sont en maté­riaux com­po­sites. Ces com­po­sites sont consti­tués de fibres de verre, d’aramide ou de car­bone noyées dans une résine, et per­mettent de tra­vailler à des pres­sions plus éle­vées tout en rédui­sant la masse et en aug­men­tant la résis­tance à la rup­ture explo­sive en condi­tion d’agression externe. Grâce à ces struc­tures com­po­sites les pres­sions stan­dards sont alors pas­sées à 350 et 700 bar.

Le sto­ckage solide : une alter­na­tive aux sto­ckages liquide ou sous pression

Le sto­ckage solide de l’hydrogène se carac­té­rise par la séques­tra­tion du gaz au sein d’un maté­riau solide. Cette séques­tra­tion peut être de nature chi­mique ou phy­sique selon le type de maté­riau. Le sto­ckage par com­bi­nai­son chi­mique, dit d’absorption, repose sur la for­ma­tion d’un hydrure métal­lique qui résulte de la com­bi­nai­son chi­mique réver­sible par liai­sons métal­liques de l’hydrogène avec les atomes d’une grande varié­té de métaux. À l’inverse, le sto­ckage par com­bi­nai­son phy­sique se carac­té­rise par une aug­men­ta­tion de la den­si­té du gaz à la sur­face du maté­riau solide qui est due aux inter­ac­tions molé­cu­laires entre l’adsorbat (gaz) et l’adsorbant (solide). Ce phé­no­mène de sur­face, qui est tota­le­ment réver­sible, n’est pos­sible qu’avec un solide à grande sur­face spé­ci­fique, c’est-à-dire un maté­riau à la fois très poreux avec de petits pores (dia­mètre de pore de l’ordre du nano­mètre) et très divi­sé, sous forme de fine poudre.

Fina­le­ment, quelle est la meilleure solution ?

Mal­gré les pro­grès constants de la recherche concer­nant le sto­ckage embar­qué de l’hydrogène, aucune des tech­niques énon­cées pré­cé­dem­ment ne cor­res­pond au cahier des charges fixé par le Depart­ment of Ener­gy (DOE) amé­ri­cain en termes de per­for­mances phy­siques (sto­ckage mas­sique, sto­ckage volu­mé­trique, tem­pé­ra­ture, pres­sion, taux de fuite), de contraintes maté­rielles (masse et volume du sys­tème) et de contraintes économiques.

L’hydrogène liquide offre le meilleur rap­port quan­ti­té stockée/volume. Cepen­dant, la faible ébul­li­tion du liquide (« boil-off »), due aux inévi­tables pertes ther­miques – aus­si réduites soient-elles – entraîne un déga­ge­ment per­ma­nent d’hydrogène, donc une perte de masse, qui empêche, dans le cas d’une appli­ca­tion embar­quée, de lais­ser son véhi­cule dans un lieu confi­né. Ce fut le cas de la BMW Hydrogen7 qui était équi­pée de cette tech­no­lo­gie de sto­ckage, et dont la pro­duc­tion a été arrê­tée à cause de ce pro­blème. Ce type de sto­ckage est néan­moins très déve­lop­pé pour le trans­port du gaz notam­ment en Amé­rique du Nord, où il repré­sente plus de 90 % des volumes ache­mi­nés par la route.

Le sto­ckage sous forme com­pri­mée, dans des réser­voirs com­po­sites, per­met d’atteindre une den­si­té mas­sique satis­fai­sante sous 350 bar, mais la den­si­té volu­mique est trop faible et il est néces­saire d’augmenter la pres­sion jusqu’à 700 bar. À cette pres­sion, la masse volu­mique de l’hydrogène est alors de 42 kilo­grammes par mètre cube. Ce type de sto­ckage est rete­nu par de nom­breux construc­teurs auto­mo­biles dans le cadre d’une auto­no­mie de 400 à 500 km (envi­ron 5 kilo­grammes d’hydrogène sto­ckés). Il est à noter que le sto­ckage de 5 kg d’hydrogène sous 700 bar requiert tout de même un volume de 125 litres. Sur le plan éco­no­mique, même si un réser­voir cryo­gé­nique est moins cher qu’un réser­voir hyper­bare, le coût de liqué­fac­tion du gaz sera plus éle­vé que celui de sa com­pres­sion, même à 700 bar.

Le sto­ckage de l’hydrogène sous forme d’hydrures métal­liques ou sto­ckage par absorp­tion offre un rap­port quan­ti­té stockée/volume du réser­voir 3 fois supé­rieur à celui du gaz com­pri­mé. Cepen­dant, en rai­son de la masse éle­vée des hydrures métal­liques, le pour­cen­tage mas­sique d’hydrogène sto­cké est beau­coup trop faible. De plus, la res­ti­tu­tion du gaz néces­site un apport de cha­leur alors que l’hydruration (for­ma­tion de l’hydrure) est exo­ther­mique, avec une ciné­tique lente. Ce type de sto­ckage cor­res­pond beau­coup plus à des appli­ca­tions stationnaires.