Transformation, stockage, transport et distribution - CEA
Transformation, stockage, transport et distribution - CEA
Transformation, stockage, transport et distribution - CEA
Create successful ePaper yourself
Turn your PDF publications into a flip-book with our unique Google optimized e-Paper software.
matériau stockant l'hydrogène est n<strong>et</strong>tement plusélevée que celle de l’hydrogène stocké (figure 1).Le Département des technologies biomasse <strong>et</strong> hydrogène(DTBH) de l’Institut Liten (Laboratoire d’innovationpour les technologies des énergies nouvelles <strong>et</strong>les nanomatériaux) du <strong>CEA</strong> travaille sur deux typesd'applications : stationnaire, pour pallier l'intermittencedes énergies renouvelables, <strong>et</strong> embarqué.Pour le stationnaire, un système très peu cher parrapport au kilogramme d'hydrogène stocké, avec unrendement énergétique (1) élevé, sera tout d’abordrecherché. Les solutions actuelles s'orientent vers un<strong>stockage</strong> à basse pression ou vers un <strong>stockage</strong> m<strong>et</strong>tanten œuvre des hydrures. Concernant les systèmesembarqués, les impératifs de volume <strong>et</strong> de poids sontprépondérants. Une cinétique de remplissage rapidesera également visée, la consommation étant généralementplus étalée dans le temps.Le <strong>stockage</strong> en pressionLe <strong>stockage</strong> de l’hydrogène à l’état gazeux m<strong>et</strong> enœuvre des réservoirs dits hyperbares classés enquatre catégories. Les « types I » sont entièrementmétalliques, les « types II » sont métalliques avec unenroulement filamentaire (généralement en fibre deverre), les « types III » comportent un enroulementfilamentaire compl<strong>et</strong> <strong>et</strong> incluent un liner (revêtementinterne servant de barrière à l'hydrogène) en métal.Les « types IV » contiennent, quant à eux, un lineren polymère (essentiellement thermoplastique d<strong>et</strong>ype polyéthylène ou polyamide). Les fibres utiliséespour les types III <strong>et</strong> IV sont des fibres de carbone.C<strong>et</strong>te évolution a été gouvernée par la recherche d'unallègement de la structure, la technologie de type I neconvenant pas pour l'application automobile. C'estpar contre une solution qui est encore choisie pour le<strong>stockage</strong> stationnaire, spécialement à basse pression,afin de limiter le coût énergétique de compressiondu gaz qui peut atteindre 25 % dans le cas des réservoirsà 700 bars. Dans ce cas, la fibre de verre, moinscoûteuse, est employée.Actuellement, la seule solution qui se dégage pour lavoiture est l'utilisation de réservoirs de type III ou IVà 350 bars en nominal, en se dirigeant vers 700 bars.Plusieurs dizaines de voitures à hydrogène roulenten ce moment aux États-Unis, où se développent des« autoroutes de l'hydrogène ». Des proj<strong>et</strong>s semblablesvoient le jour en Allemagne ou au Japon, où desstations-service sont déjà mises en fonctionnement.En France, la question réglementaire constitue encoreun frein pour faire rouler des véhicules à hydrogènecommerciaux sur la voie publique. Il faut espérer quele travail de normalisation entrepris, notamment parl'Association française pour l’hydrogène <strong>et</strong> les piles àcombustible (AFHYPAC) perm<strong>et</strong>tra de faire émergerrapidement les voitures à hydrogène en France.Le <strong>stockage</strong> liquidePlusieurs constructeurs automobiles se sont intéressésau <strong>stockage</strong> cryogénique de l’hydrogène sousforme liquide, c<strong>et</strong>te technologie offrant aujourd’huiles meilleures performances en termes de masse <strong>et</strong>de volume. En contrepartie, la liquéfaction est trèsgourmande en énergie, laquelle correspond généralementà 30 % du pouvoir calorifique inférieur (PCI)de l'hydrogène stocké. Le constructeur automobilecapacité volumique (gH 2/Lsystème)litres pour 5 kg d'hydrogène stocké60 8350100401253016620250105000TiFeMn - <strong>CEA</strong>TiVCrMo - Toyota+ 350 bars H 2NaAlH 4 - SRNLbatteries électriques0 1 5002 2503 1664 1255 1006 837 71capacité massique (g H2 /g système - %)kilogrammes pour 5 kg d'hydrogène stockéFigure 1.Capacités massique <strong>et</strong> volumique de <strong>stockage</strong> pour les trois modes de <strong>stockage</strong> possiblesdans une optique de <strong>transport</strong> automobile. La capacité de <strong>stockage</strong> en gramme d'hydrogèneest rapportée au volume <strong>et</strong> à la masse du système compl<strong>et</strong> de <strong>stockage</strong>. Il apparaît clairementque le <strong>stockage</strong> hydrure (en rouge), même s'il perm<strong>et</strong> de générer les applications les moinsvolumineuses, dispose d'une capacité massique bien moindre que les deux autres modesde <strong>stockage</strong> : à l’état gazeux en pression (en viol<strong>et</strong>) <strong>et</strong> sous forme liquide (en vert). À titre decomparaison, l'essence à un PCI de 42 700 kJ/kg <strong>et</strong> une densité de 0,75 kg/L donne un équivalenténergétique de 36 g H2 /g système <strong>et</strong> 270 g H2 /L système . Les données sur le <strong>stockage</strong> en pression <strong>et</strong>le <strong>stockage</strong> liquide sont issues des études réalisées dans le cadre du proj<strong>et</strong> européen StorHy<strong>et</strong> celles sur l’hydrure NaAlH 4 proviennent des travaux menés au Savannah River NationalLaboratory (SRNL, États-Unis).BMW a longtemps misé sur ce type de <strong>stockage</strong> pourl'automobile. Cependant, les problèmes de sécuritéliés au phénomène de vaporisation <strong>et</strong> à la fragilitédes réservoirs devraient avoir raison de ce mode de<strong>stockage</strong> pour c<strong>et</strong>te application.Le <strong>stockage</strong> solideLe <strong>stockage</strong> solide m<strong>et</strong> en œuvre des hydrures, l<strong>et</strong>erme hydrure englobant une grande variété de matériaux.En règle générale, il est question d'hydrurelorsque se forme une liaison métal-hydrogène. Pources matériaux qui servent au <strong>stockage</strong> de l'hydrogènepar absorption ou adsorption, de bonnes capacitésde <strong>stockage</strong> réversibles (2) dans des conditionsproches des conditions normales de température <strong>et</strong>de pression sont recherchées. Les caractéristiquesde cinétique, d'activation, de stabilité en cyclage(absorption/désorption) <strong>et</strong> de coût sont aussi trèsimportantes. Ces matériaux se classent en plusieursfamilles.Les hydrures métalliques interstitielsLa première famille regroupe les hydrures métalliques<strong>et</strong> intermétalliques (3) dans lesquels l'hydrogènese place en interstitiel entre les positions atomiquesnormales de la maille cristalline du matériau, ceci par(1) Rendement énergétique : rapport entre l’énergie qui serafournie par l’hydrogène <strong>et</strong> celle nécessaire à son <strong>stockage</strong>.(2) Capacité de <strong>stockage</strong> réversible : elle correspond àla quantité maximale d’hydrogène que peut décharger(désorber) le matériau de <strong>stockage</strong> une fois qu’il a été chargé,c’est-à-dire que l’hydrogène a été absorbé. Elle s’exprimesouvent en pourcentage massique.(3) Intermétallique : composé métallique avec unecristallographie spécifique <strong>et</strong> formé par l’association deplusieurs atomes métalliques.liquide - StorHy700 bars - StorHy350 bars - StorHyCLEFS <strong>CEA</strong> - N° 61 - PRINTEMPS 201365