Stockage de l’hydrogène

En matière de stockage, la faible masse volumique de l’hydrogène entraîne des densités massiques, c'est-à-dire un rapport masse d’hydrogène/masse du contenant de l’ordre de quelques pour cent, ce qui est un facteur très pénalisant.

Parallèlement, dans la perspective du développement des véhicules pile à combustible, il est nécessaire de mettre au point un système de stockage de l’hydrogène sûr et performant, dans le but de pallier les problèmes inhérents du reformage.

Pour fixer les idées, pour obtenir une autonomie d’environ 500 kilomètres pour un véhicule, la masse d’hydrogène à stocker est de l’ordre de 5 kg. L’hydrogène doit donc être stocké avec des contraintes sévères de volume et de masse pour rester compatible avec les dimensions des véhicules. Ce stockage peut se faire sous forme comprimée, liquide, dans des microbilles, par absorption dans un hydrure, enfin par adsorption dans du charbon actif ou dans des nanotubes de carbones [GAL01]. Une autre voie de recherche consiste en une production d’hydrogène à bord du véhicule grâce à un reformeur. 1.3.3.1.Stockage de l’hydrogène sous forme comprimée

Le stockage sous pression constitue une solution très simple, peu coûteuse en énergie et capable de délivrer le gaz stocké avec une dynamique largement supérieure aux besoins. Ce stockage met en oeuvre les mêmes techniques que celles utilisées pour le gaz naturel.

Les réservoirs sont techniquement au point. Ils sont constitués d’une vessie servant de barrière à l’hydrogène. Celle-ci est généralement en alliage d’aluminium renforcé par de la fibre de verre ou de carbone imprégnée de résine époxy.

Dans le cadre du programme européen « HYDRO GEN », coordonné par PSA Peugeot Citroën dont les partenaires sont le C.E.A. (Commissariat de l’Energie Atomique), Renault et Air Liquide, a été mis au point un réservoir pour le stockage à haute pression, à une pression de 700 bars. La capacité massique de stockage obtenue est de l’ordre de 5,7%, c'est-à-dire, 5,7 kg d’hydrogène gazeux stocké pour 100 kg de structure [ALL03.2].

1.3.3.2.Stockage de l’hydrogène sous forme liquide

Du fait de la faible densité de ce composé sous sa forme liquide, 70,8 kg/m3 , le volume

correspondant à 5 kg d’hydrogène est d’environ 70 litres. Ce mode de stockage peut donc paraître séduisant d’autant plus que l’hydrogène liquide est aisément disponible dans les pays développés. Néanmoins, plusieurs inconvénients existent [PES98], [GAL01] :

• Il est nécessaire de maintenir l’hydrogène à une température de -253°C. Il faut donc

une isolation thermique extrêmement soignée et donc encombrante. Cela n’empêche pas une évaporation parasite mais qui reste cependant contrôlable à un niveau admissible de l’ordre de 3% par jour. Cette évaporation peut ne pas être permanente en réalisant une enceinte pressurisée dotée d’une vanne de décharge : c’est la solution qui a été retenue dans le cadre du projet européen « FEVER ».

• L’énergie nécessaire à la liquéfaction de l’hydrogène représente environ 40% de

l’énergie contenue dans le gaz.

• La manipulation de l’hydrogène liquide exige des stations de remplissage automatique

complexes mais cependant tout à fait techniquement réalisables.

Néanmoins les problèmes posés par le stockage liquide de l’hydrogène sont aujourd’hui maîtrisés, notamment grâce au développement des activités spatiales. Mais il faut reconnaître que les coûts et les contraintes de cette voie sont très difficilement applicables à l’automobile.

1.3.3.3.Stockage de l’hydrogène dans les hydrures

Ce type de stockage très prometteur est fondé sur la propriété de certains solides d’adsorber des quantités importantes d’hydrogène et de le restituer par dépression ou légère élévation de température. Les recherches sont orientées vers les terres rares, le lanthane notamment, le nickel et le magnésium. La proportion d’hydrogène adsorbée est de l’ordre d’un atome de gaz pour un atome de métal. C’est une réaction réversible exothermique à l’adsorption et endothermique à la libération de l’hydrogène. Un grand intérêt de cette technique est que la pression de libération de l’hydrogène peut être calibrée en fonction de l’application. Malheureusement les alliages capables d’adsorber le plus d’hydrogène par unité de poids sont aussi ceux qui demandent des températures très élevées. Il en est ainsi par exemple pour tous les composés à base de magnésium. Le magnésium est très intéressant car il a une capacité d’adsorption massique de 7%, ce qui est un avantage considérable pour les applications mobiles. Mais il pose un problème de réversibilité car il est alors nécessaire de chauffer à 500 ou 600°C. Un gain important en température peut être fait en alliant le magnésium au nickel mais de la capacité massique est alors perdue. D’autres alliages font l’objet de recherches comme ceux à base de zirconium manganèse chrome. Une autre difficulté est qu’il faut stocker de l’hydrogène très pur car les hydrures ne supportent pas le monoxyde de carbone.

Des hydrures chimiques sont également développés. Il existe par exemple le borohydrure de sodium, technologie adoptée par PSA pour le prototype H2O. Les densités théoriques peuvent atteindre 10% en incluant l’eau. Toutefois ces hydrures seraient assez instables. De plus certains de ces hydrures chimiques sont corrosifs ce qui entraîne des difficultés de manipulation. Enfin le contrôle de la réaction pour obtenir l’hydrogène est délicat.

1.3.3.4.Autres formes de stockage

Le stockage de l’hydrogène dans les nanotubes de carbone est actuellement au centre de beaucoup de publications et aussi de controverses [HAI03], [MAS03], [ZID03]. Il faut toutefois considérer avec une grande prudence ces nanotubes compte tenu de la méconnaissance de la plupart des mécanismes mis en jeu lors de l’adsorption de l’hydrogène. L’activité de recherche est en pleine effervescence sur ce thème. Un certain nombre de domaines sont encore entachés de grandes incertitudes. Les questions portent aussi sur la faisabilité à terme d’une production en masse de ces matériaux qui est aujourd’hui limité à quelques grammes obtenus en laboratoire.

D’autre part, le stockage de l’hydrogène dans les microbilles peut être une voie intéressante. Ce type de stockage repose sur la double propriété de certains verres d’être étanches à l’hydrogène à froid et poreux à chaud. Cependant la mise en œuvre de cette technologie se révèle délicate [HER03a].