GÉNÉRALITÉS SUR LES MATÉRIAUX DE STOCKAGE D’HYDROGÈNE

Ce chapitre décrit des différents modes de stockage d’hydrogène, le système métal-hydrogène, les propriétés thermodynamiques des systèmes intermétalliques Métal-Hydrogène, le système binaire Mg-Ni, les propriétés structurales, les propriétés d’hydrogénation et les accumulateurs Nickel Métal- Hydrure [1-24]. La revue bibliographique sur les effets de substitution de Mg et Ni par d’autres éléments et l’addition des nanotubes de carbone multiparois (MWCNTs) dans le cas de l’alliage Mg2Ni est présentée. I.1. Stockage de l’hydrogène Une fois produit, l’hydrogène, doit être stocké pour pouvoir ensuite être distribué. Le principal obstacle lié au stockage de l’hydrogène est lié au fait qu’il soit le plus léger élément du tableau périodique. L’hydrogène est l’élément qui contient le plus d’énergie d’un point de vue massique, mais le moins d’un point de vue volumique (89 g d’H2/m3 à 273 K). Il peut être stocké de trois manières différentes : gazeux, liquide ou solide. Ces trois méthodes de stockage diffèrent par leurs densités volumiques et gravimétriques et aussi par leurs aspects sécuritaires et leurs coûts. absorbé (chimisorption) ou (ii) dans des composés carbonés (i.e. charbon actif, nanofibres et nanotubes de carbone) dans lesquels l’hydrogène est adsorbé (physisorption). La figure I.1 montre les capacités volumiques de stockage offertes par ces différentes méthodes. Cette figure met clairement en évidence la relative « faiblesse » du stockage sous pression et au contraire la relative « force » du stockage solide dans les hydrures métalliques. Toutefois, comme nous allons le voir par la suite, la simple considération de la capacité volumique n’est pas suffisante.

Le stockage sous pression

Le stockage sous forme comprimée est le plus couramment utilisé actuellement. L’hydrogène est aujourd’hui stocké sous des pressions de 200 à 700 bars. Toutefois la compression de l’hydrogène est consommatrice d’énergie (≈10% de l’énergie de combustion de l’hydrogène). L’hydrogène peut être stocké dans des petites bouteilles de 10 L et jusqu’à de grands réservoirs de 10 000 L. Les réservoirs doivent être conçus avec un métal résistant à la corrosion et aux sollicitations mécaniques.  A une température de 293 K, la densité de l’hydrogène à l’état gazeux est de : 0,0827 kg/m3 sous une pression de 1 bar, 14,49 kg/m3 sous une pression de 200 bars, 23,66 kg/m3 sous une pression de 350 bars. de 38,60 kg/m3 sous une pression de 700 bars. Ainsi, 1kg d’hydrogène (nécessaire pour faire 100 km avec une automobile) occupera un volume de 12091 L sous une pression d’un bar, de 69 L sous 200 bars, 42 L sous 350 bars et 25,75 L sous 700 bars! A titre de rappel, les 6 kg d’essence nécessaire pour effectuer 100 km occupent un volume de 8 L seulement.

L’intérêt de stocker l’hydrogène sous pression réside dans le fait que l’on possède une grande maitrise de la technologie et que le remplissage est très rapide. concevoir des réservoirs résistants aux chocs et adaptables aux véhicules pour les applications embarquées. Enfin la technologie de tous les auxiliaires (les vannes, les capteurs, les détendeurs,…) doit être adaptée à ces hautes pressions. Notons toutefois que c’est ce mode de stockage qui est utilisé actuellement pour la plupart des démonstrations grand public. I.1.2. Le stockage liquide Pour cette méthode, l’hydrogène est refroidi a -253 °C et devient liquide ce qui lui confère une plus grande densité énergétique, comme le montre la Fig. I.1. Toutefois, ce mode de stockage requiert une grande quantité d’énergie pour le refroidissement (25% de l’énergie de combustion de l’hydrogène). D’importants développements technologiques ont été réalisés pour maitriser le stockage de l’hydrogène à une température aussi basse. En effet, l’hydrogène va se réchauffer ce qui aura pour effet d’augmenter la pression au dessus du liquide (pression de vapeur saturante). Afin de limiter cette surpression on crée une fuite dynamique (phénomène de « boil off » ). Toutefois, cette fuite se traduit par une perte d’hydrogène qui est de l’ordre de 1 a 2% par jour (e.g. ainsi, un réservoir d’hydrogène liquide non utilisé pendant plus de deux mois sera vide sans avoir été consommé!).