Stockage d'hydrogène - Définition

Introduction

Le stockage de l’hydrogène désigne la mise en réserve de l'élément chimique Hydrogène en vue de sa mise a disposition. Le but des différentes techniques envisagées est pour une grande part l'utilisation de l'hydrogène à des fins énergétiques en produisant de l'énergie cinétique ou électrique.

La problématique du stockage de l’hydrogène est, et continuera d’être pendant probablement plusieurs décennies, l’une des questions et défis technologiques et scientifiques les plus importants. Son acuité découle de l’importance qu’ont les transports dans les sociétés actuelles. En effet l’hydrogène peut être utilisé, comme le pétrole, pour « faire avancer » un véhicule.

Il y a essentiellement deux moyens de « faire avancer » un véhicule avec de l’hydrogène :

1. avec un moteur à combustion interne comme dans le cas des véhicules actuels. L’efficacité est alors limitée par le cycle de Carnot et le rendement est d’environ 25 %.
2. avec un moteur électrochimique basé sur une pile à combustible. L’efficacité n’est alors pas limitée par le cycle de Carnot et le rendement peut atteindre 50-60%.

Pourquoi le stockage d’hydrogène est-il si problématique ? Parce que dans les conditions normales, l’hydrogène est sous forme gazeuse et a une densité de 0,09 kg/m³. Donc dans ces conditions pour qu’un véhicule ait une autonomie d’au moins 400 km, la masse nécessaire d'hydrogène serait de 4 kg, soit un volume d’hydrogène d’environ 45 m³ (45 000 litres). Le réservoir devrait avoir les dimensions d’un cube d’à peu près 3,5 m de côté ! Ou autrement dit, avec un réservoir actuel dans le meilleur des cas le véhicule pourrait parcourir 600 m !

Le stockage dans des réservoirs de la molécule H2

Sous forme gazeuse

Le moyen de diminuer le volume d’un gaz à température constante est d’augmenter sa pression (cf. la loi de Boyle-Mariotte). Avec la technologie actuelle on sait fabriquer des réservoirs maintenant l’hydrogène sous une pression de 700 bars. À cette pression l’hydrogène possède une densité de 40 kg/m³, soit un gain d’un facteur supérieur à 4000 par rapport à sa densité à pression et température ambiantes. Certains contructeurs automobiles utilisent des réservoirs à 700 Bars,.

Bus avec un moteur à combustion interne fonctionnant à l'hydrogène, circule sur la ligne 309 de la ville de Berlin. Le bus est muni de dix réservoirs chacun stockant 50kg d'hydrogène gazeux à 350 bar. Le bus pèse ~18T, peut transporter 80 personnes et a une autonomie d'environ 220 km

Sous forme liquide

L’hydrogène sous forme liquide (LH2) possède une densité de 70,8 kg/m³, dans ces conditions le volume du réservoir nécessaire pour stocker « nos » 4 kg d’hydrogène serait de 60 litres soit le volume des réservoirs des voitures à essence actuels. Néanmoins pour être à l’état liquide, l’hydrogène doit être porté à une température de -240 à -250 °C ! Donc, pour être utilisés, de tels réservoirs doivent être équipés d’importants systèmes secondaires pour maintenir l’hydrogène à cette température et pour limiter les pertes par vaporisation. Une autre limitation de cette technologie est l’important coût énergétique (et polluant) nécessaire à la liquéfaction de l’hydrogène.

Une technique développée plus récemment pourrait permettre une utilisation plus appropriée de l'hydrogène liquide: c'est la solution cryo-compressée. Tout comme pour le stockage liquide, l'hydrogène est refroidit à de très basses températures (autour de 20.3 K). L'originalité de la technologie est toutefois de limiter les pertes par évaporation en utilisant des réservoirs haute pression. Ainsi, lorsque l'hydrogène se réchauffe et montre en pression sous l'effet de l'apport de chaleur du milieu environnant (un peu comme dans une cocotte-minute...), il n'est pas nécessaire de ventiler, et donc de perdre de l'hydrogène, avant d'atteindre des pressions voisines de 350 Bars ! Cette pression limite est de quelques Bars pour les réservoirs liquides traditionnels (voir par exemple le réservoir liquide développé sur la voiture BMW Hydrogen 7. Suivant les plupart des scénarios de conduite, cette pression limite de 350 Bars serait très rarement atteinte (dû au fait que la pression et la température diminuent dans le réservoir au fur et à mesure que l'hydrogène est consommé).

Il est important de noter que la technologie cryo-compressée est parmi les plus efficaces en terme de stockage volumétrique et massique: le ministère de l'énergie américain a publié des valeurs cibles en termes de capacité de stockage embarquée pour l'hydrogène, et la technologie cryo-compressée a d'hors et déjà atteint les valeurs recommandées pour 2015 (diapositive 6)!

Notons enfin que la technologie est la moins onéreuse parmi les différentes formes de stockage en cours d'étude: le coût pour l'utilisateur final (incluant les coûts nécessaires à la production, la liquéfaction, la transport et la distribution de l'hydrogène) est estimé à $0.12 par mile (soit un peu moins de 0.06 Euros par km) alors qu'ils sont de $0.05 à $0.07 par mile (de 0.024 à 0.034 Euros par km) pour un véhicule essence traditionnel (, voir diapositive 13 pour plus de comparaisons).

Ces différents aspects rendent la technologie assez attractive. Pour cette raison, le constructeur allemand BMW a intégré le "cryo-compressé" comme principal élément de son développement de la filière hydrogène.