Stockage d'hydrogène - Définition et Explications

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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 (L'hydrogène est un élément chimique de symbole H et de numéro atomique 1.) à des fins énergétiques en produisant de l'énergie cinétique (L'énergie cinétique (aussi appelée dans les anciens écrits vis viva, ou force vive) est l’énergie que possède un corps du fait de son mouvement. L’énergie...) 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 (Le pétrole est une roche liquide carbonée, ou huile minérale. L'exploitation de cette énergie fossile est l’un des piliers de l’économie industrielle contemporaine, car le...), pour « faire avancer » un véhicule (Un véhicule est un engin mobile, qui permet de déplacer des personnes ou des charges d'un point à un autre.).

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

  1. avec un moteur (Un moteur (du latin mōtor : « celui qui remue ») est un dispositif qui déplace de la matière en apportant de la puissance. Il effectue ce travail à partir d'une énergie (éolienne,...) à combustion (La combustion est une réaction chimique exothermique d'oxydoréduction. Lorsque la combustion est vive, elle se traduit par une flamme voire une explosion.) interne (En France, ce nom désigne un médecin, un pharmacien ou un chirurgien-dentiste, à la fois en activité et en formation à l'hôpital ou en cabinet pendant une durée variable selon le...) comme dans le cas des véhicules actuels. L’efficacité est alors limitée par le cycle de Carnot (En thermodynamique, le cycle de Carnot est le processus cyclique réversible de la machine de Carnot. Cette machine produit du travail (c'est un moteur) à partir de deux sources de chaleur de température différentes. Un gaz,...) et le rendement est d’environ 25 %.
  2. avec un moteur électrochimique basé sur une pile à combustible (Une pile à combustible est une pile où la fabrication de l'électricité se fait grâce à l'oxydation sur une électrode d'un combustible réducteur (par exemple l'hydrogène) couplée...). 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 (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la masse volumique d'un corps pris comme référence....) de 0,09 kg/m³. Donc dans ces conditions pour qu’un véhicule ait une autonomie d’au moins 400 km, la masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre la contribution du corps...) nécessaire d'hydrogène serait de 4 kg, soit un volume (Le volume, en sciences physiques ou mathématiques, est une grandeur qui mesure l'extension d'un objet ou d'une partie de l'espace.) d’hydrogène d’environ 45 m3 (45 000 litres). Le réservoir devrait avoir les dimensions (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une pièce sont sa longueur, sa largeur et sa profondeur/son épaisseur, ou bien son diamètre si...) d’un cube (En géométrie euclidienne, un cube est un prisme dont toutes les faces sont carrées. Les cubes figurent parmi les solides les plus remarquables de l'espace. C'est un des...) 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 (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière n'a pas de forme propre ni de volume propre : un gaz tend à occuper...) à température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée aux sensations de froid et de chaud,...) constante est d’augmenter sa pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée à la surface sur laquelle elle s'applique.) (cf. la loi de Boyle-Mariotte). Avec la technologie (Le mot technologie possède deux acceptions de fait :) 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 (Une ville est une unité urbaine (un « établissement humain » pour l'ONU) étendue et fortement peuplée (dont les habitations doivent être à moins de 200 m chacune,...) 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 (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.)

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 (La liquéfaction est un changement d'état qui fait passer un corps de l'état gazeux à l'état liquide. Elle est la transformation inverse de la vaporisation. L'usage...) de l’hydrogène.

Une technique développée (En géométrie, la développée d'une courbe plane est le lieu de ses centres de courbure. On peut aussi la décrire comme l'enveloppe de la...) plus récemment pourrait permettre une utilisation plus appropriée de l'hydrogène liquide: c'est la solution cryo-compressée. Tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) 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 (L'évaporation est un passage progressif de l'état liquide à l'état gazeux. Elle est différente de l'ébullition qui est une transition rapide. C'est un changement d'état appelé vaporisation.) en utilisant des réservoirs haute pression. Ainsi, lorsque l'hydrogène se réchauffe et montre en pression sous l'effet de l'apport de chaleur (Dans le langage courant, les mots chaleur et température ont souvent un sens équivalent : Quelle 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 (Une automobile, ou voiture, est un véhicule terrestre se propulsant lui-même à l'aide d'un moteur. Ce véhicule est conçu pour le transport terrestre de personnes ou de...) BMW (Bayerische Motoren Werke AG Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft.ogg  ou BMW (en français : manufacture bavaroise de moteurs) est une société industrielle...) 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 (Fur est une petite île danoise dans le Limfjord. Fur compte environ 900 hab. . L'île couvre une superficie de 22 km². Elle est située dans la Municipalité de Skive.) 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 (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) 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 (Le transport, du latin trans, au-delà, et portare, porter, est le fait de porter quelque chose, ou quelqu'un, d'un lieu à un autre.) 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 (Une filière est une suite de formalités, d'emplois à remplir avant d'arriver à un certain résultat: la filière administrative.) hydrogène.

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