1/ La densité volumique permise par le stockage solide de l’hydrogène est-elle élevée ?
Le premier avantage de la technologie du stockage solide est qu’il est possible d’atteindre des densités volumiques beaucoup plus importantes que dans le gaz ou le liquide. L’hydrure de magnésium atteint 110-112 kg H2/m3, tandis que le stockage gazeux, même à 700 bars, reste autour de 45 kg H2/m3 et que le stockage liquide est à 70 kg H2/m3. La densité énergétique pour l’hydrure de magnésium est 2,4 kWh/kg, ce qui est 10 fois supérieur à une batterie. Il faut tout de même souligner que l’on ne peut pas réellement comparer ces deux valeurs car le matériel n’est pas le même (réservoir ou pile à combustible).
2/ Quels sont ses autres avantages ? 1’06
Le deuxième avantage est que la pression nécessaire est de l’ordre de 10 bars. Dans un réservoir de 2 litres, on peut absorber 1 m3 d’hydrogène à pression atmosphérique, ce qui correspond à une pression de 500 bars si l’hydrogène se trouvait sous forme gazeuse. Un autre avantage tient à l’abondance du magnésium : on le trouve sur tous les continents, il est relativement peu coûteux, il ne présente aucun problème de toxicité ou de pollution.
3/ Le fort besoin en chaleur de la réaction de désorption est-il un inconvénient ? 1’41
Le principal inconvénient de l’hydrure de magnésium est qu’en effet il faut monter au-delà de 300 °C pour désorber l’hydrogène, et apporter la chaleur de réaction. Cela représente 30 % de l’énergie stockée dans l’hydrogène. Si l’on ne dispose pas de chaleur fatale pour chauffer les réservoirs, le rendement énergétique de stockage diminue de 30 %.
4/ Quelles solutions permettent de remédier à cette difficulté ? 2’12
L’une des solutions mises en œuvre est l’utilisation d’un matériau à changement de phase. Il a une température de fusion comprise entre la température d’absorption et celle de désorption. Lors de l’absorption de l’hydrogène, on va chauffer ce métal pour le faire fondre. Au contraire, on va le resolidifier lors de la désorption, la chaleur latente de solidification allant chauffer le magnésium. Le matériau à changement de phase est un alliage à base de magnésium, peu coûteux. En revanche, sa présence ajoute du poids au réservoir. Cette solution est donc à privilégier pour des usages stationnaires où le poids n’est pas un problème. De plus, sur des temps très longs, la chaleur va finir par se dissiper, c’est donc préférable de l’utiliser pour du stockage à court terme. Une application possible est un stockage jour/nuit couplé à des panneaux solaires utilisés dans la journée pour produire de l’hydrogène, qui serait stocké et réutilisé en période de pointe le soir. Pour du stockage à plus long terme, ou pour éviter un système trop lourd, une autre solution est par exemple de coupler thermiquement le réservoir à une pile à combustible et de récupérer la chaleur libérée par la pile à combustible pour chauffer le réservoir. Il existe en effet des piles à combustible qui travaillent à haute température, les solid oxyde fuel cells, entre 700 et 900 °C. Une troisième solution serait de développer un réseau de cogénération, où l’on a à la fois besoin de chaleur et d’électricité. On peut utiliser directement la chaleur dégagée par le réservoir et apporter la chaleur de réaction au moment où l’on veut désorber le réservoir. La chaleur est facilement valorisable puisqu’elle est à 300 °C.
5/ Atteint-on de hauts niveaux de rendement ? 4’10
Le rendement dépend de la taille du réservoir. Plus le réservoir est petit, plus le rapport surface/volume est important, plus il y a de pertes. En revanche, si l’on envisage des gros réservoirs (on parle alors de containers), le rapport surface/volume est faible et on peut atteindre des rendements de l’ordre de 95 % avec des matériaux à changement de phase.
6/ La poudre est-elle la seule présentation intéressante pour l’hydrure de magnésium ? 4’34
Dans les années 2005-2010, on a beaucoup travaillé sur le broyage de l’hydrure de magnésium. C’est très efficace et les cinétiques d’absorption obtenues sont très rapides. En revanche, cela a un coût lié à la manutention, un coût énergétique pour le broyage, et les poudres obtenues sont très pyrophoriques, or elles doivent être manipulées avant d’être compactées. Dans une usine, à grande échelle, cela peut être un inconvénient. Sachant cela, on travaille sur un procédé de déformation plastique sévère, le forgeage. Cela produit directement des matériaux massifs, que l’on peut hydrurer. Les cinétiques sont moins rapides, la capacité d’absorption est un peu plus faible, autour de 4,5 % massique (au lieu de 7 % avec les poudres). Cependant ce procédé est beaucoup plus facile à extrapoler à grande échelle, en grandes quantités, et sans problème de pyrophoricité.
Pour aller plus loin :
- IN170 Stockage massif de l’hydrogène dans l’hydrure de magnésium
- AF3692 Le stockage solide de l’hydrogène
- IN403 Nouveaux matériaux pour le stockage de l’hydrogène – Alliages métalliques multi-élémentaires hydrurables
- M178 Comportement mécanique des alliages métalliques pour le stockage et le transport de l’hydrogène gazeux