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L'hydrogène vert doit encore faire ses preuves

Le stockage, un verrou majeur de la filière hydrogène

Johnny Deschamps, professeur à l'Unité chimie et procédés (UCP) de l'ENSTA Paris (IP Paris)
Le 8 juillet 2021 |
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Le stockage, un verrou majeur de la filière hydrogène
Johnny Deschamps
Johnny Deschamps
professeur à l'Unité chimie et procédés (UCP) de l'ENSTA Paris (IP Paris)
En bref
  • Même si l’hydrogène suscite de l’intérêt, on oublie souvent que son stockage représente un défi pour son utilisation.
  • Ainsi à l’état liquide, l’hydrogène nécessite des réservoirs cryogéniques le conservant a -253 °C, ce qui demande une quantité d’énergie considérable.
  • D’autres techniques de stockage sont en cours de développement, telles que le stockage par absorption ou sous forme comprimée, mais pour le moment aucune solution n’est assez économique ou pratique pour être employée de manière durable.

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.

Auteurs

Johnny Deschamps

Johnny Deschamps

professeur à l'Unité chimie et procédés (UCP) de l'ENSTA Paris (IP Paris)

Les principales activités de recherche de Johnny Deschamps concernent la production d'hydrogène vert à partir de biomasse, le stockage d'hydrogène par adsorption dans des matériaux poreux de type organic frameworks, les matériaux énergétiques et le confinement de fluides et de métaux dans des matériaux poreux. Il développe des techniques originales de dopage de matériaux type organic frameworks au moyen de matériaux carbonés et de métaux et il enseigne ''la filière hydrogène" dans plusieurs institutions prestigieuses en France et en Chine.