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.