Transformation, stockage, transport et distribution - CEA

matériau stockant l'hydrogène est nettement plusélevée que celle de l’hydrogène stocké (figure 1).Le Département des technologies biomasse et hydrogène(DTBH) de l’Institut Liten (Laboratoire d’innovationpour les technologies des énergies nouvelles etles nanomatériaux) du CEA travaille sur deux typesd'applications : stationnaire, pour pallier l'intermittencedes énergies renouvelables, et 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 unstockage à basse pression ou vers un stockage mettanten œuvre des hydrures. Concernant les systèmesembarqués, les impératifs de volume et de poids sontprépondérants. Une cinétique de remplissage rapidesera également visée, la consommation étant généralementplus étalée dans le temps.Le stockage en pressionLe stockage de l’hydrogène à l’état gazeux met 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 complet et incluent un liner (revêtementinterne servant de barrière à l'hydrogène) en métal.Les « types IV » contiennent, quant à eux, un lineren polymère (essentiellement thermoplastique detype polyéthylène ou polyamide). Les fibres utiliséespour les types III et IV sont des fibres de carbone.Cette 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 lestockage 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 projets 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 et les piles àcombustible (AFHYPAC) permettra de faire émergerrapidement les voitures à hydrogène en France.Le stockage liquidePlusieurs constructeurs automobiles se sont intéressésau stockage cryogénique de l’hydrogène sousforme liquide, cette technologie offrant aujourd’huiles meilleures performances en termes de masse etde 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 - CEATiVCrMo - 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 et volumique de stockage pour les trois modes de stockage possiblesdans une optique de transport automobile. La capacité de stockage en gramme d'hydrogèneest rapportée au volume et à la masse du système complet de stockage. Il apparaît clairementque le stockage hydrure (en rouge), même s'il permet de générer les applications les moinsvolumineuses, dispose d'une capacité massique bien moindre que les deux autres modesde stockage : à l’état gazeux en pression (en violet) et sous forme liquide (en vert). À titre decomparaison, l'essence à un PCI de 42 700 kJ/kg et une densité de 0,75 kg/L donne un équivalenténergétique de 36 g H2 /g système et 270 g H2 /L système . Les données sur le stockage en pression etle stockage liquide sont issues des études réalisées dans le cadre du projet européen StorHyet 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 stockage pourl'automobile. Cependant, les problèmes de sécuritéliés au phénomène de vaporisation et à la fragilitédes réservoirs devraient avoir raison de ce mode destockage pour cette application.Le stockage solideLe stockage solide met en œuvre des hydrures, leterme 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 stockage de l'hydrogènepar absorption ou adsorption, de bonnes capacitésde stockage réversibles (2) dans des conditionsproches des conditions normales de température etde pression sont recherchées. Les caractéristiquesde cinétique, d'activation, de stabilité en cyclage(absorption/désorption) et de coût sont aussi trèsimportantes. Ces matériaux se classent en plusieursfamilles.Les hydrures métalliques interstitielsLa première famille regroupe les hydrures métalliqueset 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 et celle nécessaire à son stockage.(2) Capacité de stockage réversible : elle correspond àla quantité maximale d’hydrogène que peut décharger(désorber) le matériau de stockage 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 et formé par l’association deplusieurs atomes métalliques.liquide - StorHy700 bars - StorHy350 bars - StorHyCLEFS CEA - N° 61 - PRINTEMPS 201365