Recherche de solutions de stockage de l’hydrogène

par des méthodes d’analyse thermique

Comme la densité énergétique spécifique de masse de l’ hydrogène (33,3 kWh/kg) est l’une des plus élevées de tous les carburants, l’utilisation de l’hydrogène pour la mobilité ainsi que comme moyen de stockage d’énergie a été et reste d’un grand intérêt. Cependant, l’un des principaux problèmes à résoudre est le fait que le stockage de l’hydrogène est difficile et comporte plusieurs inconvénients qui doivent être pris en compte avec soin.

Le stockage conventionnel de l’hydrogène est généralement effectué en utilisant de l’hydrogène à l’état liquide à 20 K et à une densité de 71 kg/m³. Cependant, la liquéfaction nécessite 30 % de l’énergie que l’hydrogène peut stocker. En outre, l’hydrogène est également stocké à l’état gazeux à des niveaux de pression pouvant atteindre 700 bars dans des bouteilles, ce qui entraîne une perte d’énergie d’environ 12 % de son énergie stockée en raison de la compression.

Les deux variantes présentent le risque de libération non désirée de gaz d’hydrogène en raison de son taux de diffusion élevé à travers la plupart des matériaux. Comme l’hydrogène n’est pas chimiquement lié, il peut se diffuser facilement et il existe toujours un risque d’incendie et d’explosion dans les installations de stockage d’hydrogène.

Pour surmonter cela, dans un passé plus récent, il y a eu des études pour utiliser des cadres métallo-organiques, des combinaisons d’hydrures métalliques et également des structures de zéolites pour lier mécaniquement le stockage d’hydrogène par sorption. L’avantage est un risque moindre de diffusion, cependant la plupart des hydrures métalliques ont un rapport plutôt faible de métal : hydrogène et un taux d’absorption et de libération d’hydrogène lent. Par conséquent, seul le système hybride nickel-métal a trouvé une large acceptation en raison de son utilisation comme batterie pour le stockage d’hydrogène.

L’analyse thermique est l’outil parfait pour étudier les processus d’absorption et de désorption de l’hydrogène. L’enquête se déroule en utilisant des analyseurs d’absorption gravimétrique et volumétrique ainsi que des balances thermo-pressurisées. Avec la bonne configuration du chemin du gaz, des débits, des pressions et des niveaux de vide, les zéolithes ainsi que les structures métallo-organiques peuvent être caractérisées par ATG (Thermogravimétrie) ainsi que par DSC (Calorimétrie Différentielle à Balayage), offrant la possibilité de déterminer la chaleur d’absorption et de désorption.

À l’heure actuelle, il existe un nouveau concept de technologie de stockage d’hydrogène liquide utilisant des transporteurs organiques liquides (LOHC) tels que le dibenzyl toluène (DBT). Étant un liquide non toxique, peu inflammable qui peut absorber de l’hydrogène à 5 bars à 200°C en utilisant un catalyseur au rhodium. Le peroxy-DBT résultant peut absorber 600 litres d’hydrogène gazeux par litre de liquide, ce qui représente une capacité de stockage de 2 kWh/kg. La libération peut être réalisée à 300°C à pression réduite. Avec cette technologie, un taux d’absorption et de libération beaucoup plus élevé qu’avec les systèmes de stockage d’hydrogène solide peut être atteint, conservant l’avantage de faibles taux de diffusion et donc un risque plus faible de libération d’hydrogène incontrôlée.

À côté de la nouvelle technologie de stockage d’hydrogène liquide, il existe également l’approche consistant à stocker en liant chimiquement l’hydrogène dans une autre molécule. Un exemple classique de ce type de réaction est la célèbre synthèse de Haber-Bosch de l’ammoniac à partir des éléments hydrogène et azote. La production annuelle d’ammoniac dépasse les 200 milliards de tonnes, dont les trois quarts sont utilisés pour la production d’engrais. La réaction de Haber-Bosch a généralement lieu à 200 bars et 450°C en utilisant des catalyseurs en fer. L’ammoniac résultant est plus facile à manipuler et à stocker que le gaz d’hydrogène, mais il est toxique et corrosif, contrairement à l’hydrogène pur. La teneur en énergie de l’ammoniac est de 5,2 kWh/kg, ce qui signifie un taux d’efficacité de 63% lors de sa production à partir des éléments. La teneur en énergie est 2,6 fois plus élevée que celle du peroxy-DBT mais reste seulement 1/6 de celle de l’hydrogène pur.

À côté de l’ammoniac, il existe également d’autres gaz qui peuvent être synthétisés à partir d’hydrogène, comme le méthane ou d’autres hydrocarbures, offrant un risque moindre de libération d’hydrogène. Le méthane, par exemple, est le résultat de ce qu’on appelle la gazéification du charbon, où le charbon de bois ou la biomasse sont traités avec de la vapeur d’eau à des températures et des pressions élevées pour créer d’abord du monoxyde de carbone et de l’hydrogène, puis dans une deuxième étape, du méthane et de l’eau. Ce processus est l’une des réactions les plus étudiées utilisant des balances thermiques à haute température et haute pression (ATG haute pression et TG-DSC haute pression DSC). Comme ces systèmes peuvent être facilement équipés de générateurs d’humidité et de vapeur d’eau, ils peuvent mesurer le degré de gazéification, la teneur en carbone et la chaleur de réaction simultanément au sein d’une seule expérience. Le sujet du stockage de l’hydrogène restera avec nous pendant de nombreuses années à venir.