Utilisateur:StralsundByzantion/stockage d'hydrogène

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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 limité 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 limité 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[1], 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, le volume d’hydrogène nécessaire[2] serait d’environ 45 m3 (45000 litres), c'est-à-dire que 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 600m !

Sommaire

[modifier] Le stockage dans des réservoirs de la molécule H2

[modifier] sous forme gazeuse

Un 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 200 bars[3]. A cette pression l’hydrogène possède une densité de 11 kg/m3 soit un gain d’un facteur supérieur à mille par rapport à sa densité à pression et température ambiantes. Néanmoins dans ces conditions le volume nécessaire pour stocker « nos » 4 kg d’hydrogène[4] serait encore de 360 litres (à peu près le volume de deux baignoires).
Des réservoirs capable de supporter des pressions de 450 bars en usage régulier sont en train d’être développés et le volume occupé par l’hydrogène serait divisé par deux.

[modifier] sous forme liquide

L’hydrogène sous forme liquide possède une densité de 70,8 kg/m3, dans ces conditions le volume du réservoir nécessaire pour stocker « nos » 4 kg d’hydrogène[5] 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/-250°C ! Donc pour être utiliser 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 nécessaire à la liquéfaction de l’hydrogène.

[modifier] Le stockage « sur » des composés solides (adsorption)

L’adsorption est un phénomène physico-chimique qui consiste en l’« immobilisation » d’un composé sur la surface d’un autre. L’hydrogène peut se fixer sur la plupart des surfaces solides mais quasiment seul l’adsorption sur des surfaces de carbone est envisagé pour des applications technologiques. Cette méthode pour le stockage d’hydrogène n’en est à l’heure actuelle qu’aux premières phases de recherche.
Pour que cette méthode soit intéressante il faut pouvoir développer des matériaux avec de grandes surfaces spécifiques. L’utilisation de nanotubes de carbone est aussi envisagée. Dans tous les cas, les résultats actuels sont encore trop parcellaires pour pouvoir présager de leur devenir.

[modifier] Le stockage « dans » des composés solides (hydrures)

Les classe des hydrures est la famille des composés qui comporte de l’hydrogène et dont celui-ci possède une polarisation négative relativement à l’élément du composé auquel il est lié. On peut classer les hydrures selon la nature de la liaison principale[6] entre l’hydrogène et l’autre élément. Les hydrures sont dit covalents quand la liaison est de type covalent. C’est le cas des hydrures les plus communs tel que l’eau (H2O), l’ammoniac (NH3), le méthane (CH4)…

[modifier] Hydrures métalliques

Les hydrures sont dit métalliques quand la liaison est de type covalent. En effet plusieurs métaux purs ou alliages sont capables d’absorber[7] de l’hydrogène en leur sein. Le composé métallique agit un peu comme une éponge à hydrogène. Dans les hydrures métalliques l’hydrogène est stocké sous forme atomique (H) et non plus moléculaire (H2) comme dans les cas précédents. L’absorption d’hydrogène (aussi appelée hydruration) peut être effectué par l’intermédiaire du gaz dihydrogène (H2) dissocié en deux atomes d’hydrogène (H) à une température et pression données et caractéristiques du matériau absorbant. L’absorption d’hydrogène peut aussi être effectué à température et pression ambiante par voie électrochimique et plus précisément par électrolyse de l’eau.
La capacité de stockage des hydrures métalliques peut être très importantes puisque l’alliage Mg2 FeH6 « stocke » 150 kg d’hydrogène par m3. Un réservoir de 26 litres serait alors suffisant pour « nos » 4 kg d’hydrogène. Néanmoins la densité volumique ne suffit pas, il faut que l’alliage qui a absorbé l’hydrogène puisse le désorber (relacher) dans des conditions acceptables[8]. En effet, pour être utilisé dans des applications mobiles, les hydrures métalliques considérés doivent avoir des températures et des pressions d’équilibre compatibles avec les dites applications (entre 1 et 10 bar pour la pression, entre 0 et 100°C pour la température). Plusieurs familles d’hydrures d’alliages intermétalliques sont envisagées et envisageables : les AB5 (LaNi5…) ; les AB2 (ZrV2) ; les A2B (Mg2Ni)… Il faut signaler que les alliages dérivés de LaNi5 sont les alliages utilisés dans les batteries rechargeables Nickel-Hydrure Métallique (Ni-MH) dont plusieurs millions d’unités sont vendues à travers le monde chaque année.

[modifier] Hydrures complexes

Les métaux alcalins, quand ils sont associés à un élément du groupe 13 (p.ex. bore ou aluminium) et d’hydrogène peuvent former des structures polyatomiques que l’on nomme des complexes.
Les hydrures complexes les plus intéressants pour le stockage d’hydrogène sont les tétrahydroborates M(BH4) et les tétrahydroaluminates ou alanates M(AlH4). Afin d’avoir un rapport massique entre l’hydrogène stockée et la masse totale du composé « stockant » le plus élevé possible, M représente souvent le lithium ou le sodium (LiBH4, NaBH4, LiAlH4, NaAlH4). A ce jour, le composé LiBH4 possède la plus grande densité massique d’hydrogène (18%). Dans ces hydrures complexes, l’hydrogène occupe les sommets d’un tétraèdre dont le centre est occupé par un atome d’aluminium ou de bore. Ces tétraèdres portent une charge négative qui est compensé par la charge positive des cations Li+ ou Na+.
Les principes du stockage et de la libération d’hydrogène sont différents dans le cas des hydrures complexes de ce qu’ils sont pour les hydrures métalliques. En effet, le stockage s’effectue pour les premiers lors d’une réaction chimique et non pas par Modèle:Guilsimple occupation des « vides » de la structure comme dans le cas des hydrures métalliques. Pour l’alanate de sodium, le mécanisme de libération de l’hydrogène se représente comme suit :
6 NaAlH4 -> 2 Na3AlH6 + 4 Al + 6 H2 -> 6 NaH + 6 Al + 9 H2
Jusqu’à la fin des années 90 et l’utilisation de catalyseurs à base de titane [9], la réaction inverse c'est-à-dire de stockage de l’hydrogène n’était pas possible dans des conditions modérées. Cette découverte permet d’envisager leur utilisation pour le stockage d’hydrogène des applications mobiles, en effet une trentaine de kilogrammes d’hydrures complexes seraient nécessaires pour générer les 4 kg d’hydrogène déjà évoqués.

[modifier] Hydrures chimiques

[modifier] Notes

  1. ↑ à pression atmosphérique et 25°C
  2. ↑ Avec un véhicule ayant une consommation de 7 litres au 100km, il faudrait 28 litres d’essence ; le rapport énergétique est à peu près d’1kg d’hydrogène pour 3,5 litres d’essence dans le cas du moteur à combustion. 8kg d’hydrogène serait nécessaire dans ce cas. Pour un moteur à pile à combustible, le rendement pouvant être doublé, 4kg d’hydrogène serait alors nécessaire. C’est ce chiffre qui a été utilisée.
  3. ↑ c'est-à-dire 200 fois la pression atmosphérique normale
  4. ↑ voir paragraphe et note précédents
  5. ↑ voir paragraphe et note précédents
  6. ↑ les liaisons hydrogènes ne sont pas considéré ici
  7. ↑ ne pas confondre aDsorption et aBsorption, le premier terme est employé quand un composé (p.ex. l’hydrogène) est « accroché » à la surface d’un autre ; le deuxième quand l’hydrogène est « accroché » à l’intérieur d’un autre composé. On parle de sorption quand on ne veut pas distinguer les deux modes et de désorption quand l’hydrogène est « relaché » de son support
  8. ↑ grosso modo la capacité d’un alliage à absorber l’hydrogène et sa capacité à le relacher sont en sens inverse ; plus il est facile d’absorber plus il est difficile de désorber l’hydrogène.
  9. ↑ la manière exacte dont le titane agit comme promoteur est encore sujet à de nombreuses discussions et, le qualificatif de catalyseur dans toute la rigueur de sa définition n’est peut-être pas le plus exact. En effet, il semble ne pas être dans le même état au début et à la fin de la réaction. Le terme de dopant est parfois alors utilisé.

[modifier] Sources

  • (en) L. Schlapbach, A. Züttel ; Nature (2001) vol.414 pp.353-8

http://www.uio.no/studier/emner/matnat/kjemi/MENA5020/h07/undervisningsmateriale/hydrogenstorage.pdf

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