L’article « Le stockage de l’hydrogène et les problèmes qui s’y rattachent » de Schmitt et Joinville publié en 1975 étudie les perspectives du stockage d’hydrogène pour une mobilité hydrogène. Ses auteurs concluent que la piste la plus intéressante serait celle du stockage sous forme d’hydrures métalliques.
Peu après le premier choc pétrolier, l’épuisement des ressources en combustibles fossibles est devenue évidente. Ce serait l’hydrogène qui semblerait, à long terme, être le meilleur candidat pour remplacer les carburants fossiles.
C’est dans cette perspective que Schmitt et Joinville ont étudié les différents moyens de stockage de l’hydrogène dans la perspective d’une mobilité hydrogène.
Cet article semble être issu du Congrès national de la Société des Eletriciens, des Electroniciens et des radioélectriciens (SEE) s’étant déroulé à Biarritz du 30 septembre au 4 octobre 1975.
Les carburants du futur
L’auteur compare 4 combustibles de synthèse : le méthane (CH4), le méthanol (CH3OH), l’ammoniac (NH3) et l’hydrogène (H2).
Le méthanol serait une piste intéressante à court et moyen terme (probablement en raison de son point d’ébullition élevé (65°C), de sa bonne densité d’énergie volumique et de son faible prix), mais ce serait l’hydrogène la piste la plus intéressante à long terme (sans doute parce que le premier est toxique, polluant et lié aux ressources fossiles).
Les moyens de stockage de l’hydrogène
L’hydrogène comprimé
La difficulté pour le stockage d’hydrogène gazeux comprimé serait le poids et le volume du récipient. Les réservoirs classiques ne pourraient comporter que .. 1.6% de leur poids (0.9kg pour un réservoir de 56kg de 50 litres comprimés à 200 bars). L’utilisation d’alliages peut faire monter ce pourcentage à 2,2% et devrait atteindre 3%.
Il y aurait, en outre un risque notable en cas d’accident.
L’hydrogène liquide
Maintenir l’hydrogène dans son état liquide (<-253°C) supposerait de pratiquer l’évaporation contrôlée, qui suppose ne perte d’au moins 0,5 à 1% de l’hydrogène par jour.
La liquéfaction elle-même demanderait beaucoup d’énergie. Il y a 3 phases : la purification, la transformation ortho-para et la liquéfaction proprement dite.
La seconde étape suppose de changer la proportion d’isomères de l’hydrogène. Dans sa forme gazeuse, il y a 75% d’H2 dit « ortho », alors que dans sa forme liquide il n’y en a que 0.2%. Passer de cette forme à l’autre (« para ») libère beaucoup de chaleur.
Au total, la liquéfaction demande théoriquement 3.88 kWh/kg de dihydrogène, mais cela revient en pratique à 14 kWh/kg. Cela pourrait être diminué à 10 kWh/kg, mais cela resterait encore 30% de l’énergie contenue dans l’hydrogène (34 kWh/kg).
Stockage en hydrures
Les hydrures métalliques, comme TiH2, incluant de l’hydrogène se caractérisent notamment par la réversibilité de la réaction. La décomposition de l’hydrure est endothermique.
Extraire l’hydrogène de l’hydrure demande simplement de le chauffer au-dessus de sa température de décomposition ou bien de diminuer la pression en dessous de la pression d’équilibre. Voici des exemples d’hydrures:
Voici leur comparaison entre les différents types de stockage :
Les auteurs observe que la capacité massique est rédhibitoire pour la forme gazeuse et que l’évaporation et l’instabilité rendent non viable la forme liquide hors aéronautique/spatial. Ils concluent que c’est le stockage sous forme d’hydrures qui serait le plus intéressant.
L’hydrogène comme carburant
Le problème des véhicules électrique serait l’autonomie et la capacité d’accélération.
La combustion d’hydrogène ne serait pas intéressante, n’ayant un rendement que de 10 à 20%. Utiliser une pile à combustible aurait un rendement de 40 à 60%. Néanmoins, la puissance massique serait faible (10-15 kg/kW, contre 0.5-2 pour les moteurs thermiques) et leur production ne serait pas encore industrialisée.
Toutefois ces obstables devraient être levés par les améliorations technologiques. Même alors, les piles à combustibles seraient encore 5 fois moins puissants que les moteurs thermiques. Il faudrait, pour le compenser, hybrider le dispositif par une batterie. [On notera la sagacité des auteurs oO]
Véhicule électrique fonctionnant à l’hydrogène
Les auteurs font une estimation des caractéristiques que pourrait avoir, en pratique, un véhicule à hydrogène. Voici les poids qu’ils utilisent pour leur projection :
Ce véhicule serait capable de rouler à 80km/h et une autonomie de 375 km.
Ce système de stockage aurait une densité globale d’énergie 7 à 8 fois plus élevées que les batteries de l’époque.
Il faudrait garder à l’esprit plusieurs aspects du système de stockage :
- l’hydrure doit pouvoir libérer son hydrogène à une pression suffisante pour alimenter la pile.
- Il faut disposer d’assez de chaleur pour décomposer l’hydrure. Cela impliquerait qu’il faut un système de démarrage annexe.
- Le destockage doit être assez rapide pour répondre aux besoin d’alimentation du moteur.
Le réservoir aurait un volume de 60 litres et contiendrait 3kg d’hydrogène.
Conclusion
L’hydrogène serait appelé à « prendre le pas sur les autres combustibles synthétiques dans un avenir assez peu éloigné ». Le stocker sous forme d’hydrures serait la meilleure solution pour les automobiles. Pour le transformer en énergie motrice, l’optimal serait une pile à combustible avec un moteur électrique.
Toutefois, il faudrait encore d’importantes recherches avant d’arriver à une solution viable.
On voit les progrès qui ont été faits dans le stockage d’hydrogène gazeux (200-300 bars à l’époque, 700 aujourd’hui) et que la piste des hydrures enthousiasmait déjà les chercheurs à l’époque.
J’ai beaucoup aimé cet article, qui montre de manière extrêmement synthétique l’état de l’art d’il y a 45 ans.
Pour aller plus loin
Vous pouvez consulter :
- Notre article sur la production d’hydrogène par électrolyse.
- Le dossier complet, « Hydrogène : l’énergie de l’avenir ?« .