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L'hydrogène

Distribution et stockage du dihydrogène


​Mettre en place une économie du dihydrogène suppose qu'il soit disponible à tout moment et en tout point du territoire.

Publié le 1 décembre 2013
Développer des technologies de stockage adaptées implique de prendre en compte les caractéristiques physico-chimiques du dihydrogène.

Pour que le dihydrogène puisse réellement devenir le vecteur énergétique de demain, un vaste réseau de distribution devra cependant se mettre en place (par pipelines, réservoirs rechargeables...) afin de permettre toutes les utilisations. Il devra être disponible à tout moment, en tout point du territoire. Mettre au point des modes de transport, de stockage et de distribution compatibles avec les faibles usages représente donc un enjeu crucial.


Les réseaux de distribution

Dans les schémas actuels, la logique de distribution industrielle est en général la suivante : le dihydrogène est produit dans des unités centralisées, puis utilisé sur site ou transporté par pipelines. Ces réseaux permettent de connecter les principales sources de production aux principaux points d’utilisation (actuellement l’industrie chimique). Des réseaux de distribution de dihydrogène par pipelines existent déjà dans différents pays pour approvisionner les industries chimiques et pétrochimiques (environ 1 500 km en Europe de l’ouest et 1 150 km aux Etats-Unis). La réalisation de ces infrastructures industrielles démontre que l’on dispose d’une bonne maîtrise de la génération et du transport de dihydrogène. Un bémol cependant : le coût du transport est environ 50% plus cher que celui du gaz naturel, et à volume et pression égales, le dihydrogène transporte trois fois moins d’énergie que le gaz naturel.

station Total en Allemagne
Les stations pilotes d’approvisionnement en hydrogène se développent. Ici, une station Total en Allemagne. ©TotalFinaElf

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Stockage sous forme d'hydrures métalliques
Stockage sous forme d'hydrures métalliques. © P.Avavian/CEA

Mise au point du tressage-bobinage pour les liners
Mise au point du tressage-bobinage pour les liners. © P.Stroppa/CEA

Pour distribuer le dihydrogène aux utilisateurs, des infrastructures de ravitaillement devront être développées. La mise au point de stations service ne semble pas poser de problèmes techniques particuliers. Une quarantaine de stations pilotes existe d’ailleurs déjà dans le monde, en particulier aux États-Unis, au Japon, en Allemagne et en Islande.
Il faudra cependant du temps pour que ces stations-service maillent tout le territoire, ce qui freine aujourd’hui le développement du dihydrogène dans les transports.

Le stockage du dihydrogène

Le dihydrogène ne peut jouer son rôle de vecteur d’énergie que si l’on peut le stocker efficacement, pour un coût limité et dans des conditions de sécurité acceptables.
Le risque de fuite de dihydrogène doit être pris en considération, compte tenu du caractère inflammable et explosif de ce gaz dans certaines conditions. Or, en raison de la petite taille de sa molécule, il est capable de traverser de nombreux matériaux, y compris certains métaux. De plus, il en fragilise certains en les rendant cassants. Différents modes de stockage doivent être envisagés selon l’utilisation qui en sera faite : industrielle, domestique, mobile ou nomade.


Stockage sous forme liquide à basse pression

C’est le moins coûteux et le plus abouti des procédés (par kWh) pour stocker de grosses quantités de dihydrogène. Les réservoirs actuels conditionnent le dihydrogène à – 253 °C sous 10 bars. Pour les applications transport, des réservoirs ont été mis au point, permettant le stockage de 12 kg de H2 pour les petits réservoirs des voitures. Le principal inconvénient de ce procédé est l’impossibilité d’éviter les fuites : même très bien isolés, les réservoirs absorbent de la chaleur qui vaporise lentement le liquide. Il faut alors laisser s’échapper le gaz obtenu pour éviter que la pression n’augmente trop. Le stockage en milieu confiné, comme dans les parkings, est ainsi rendu problématique.


Stockage gazeux sous basse pression

Lorsqu’il n’est pas nécessaire de réduire le volume de stockage (comme dans une maison disposant d’un vaste sous-sol), on peut envisager celui-ci sous forme gazeuse à une pression relativement basse (75 bars). Dans ce cas, la réserve de dihydrogène est régulièrement reconstituée par un dispositif de production in situ (électrolyse) alimenté par une source d’énergie renouvelable. Ce moyen de stockage est peu coûteux et parfaitement maîtrisé.


Stockage gazeux sous haute pression

Afin d’atteindre une densité d’énergie satisfaisante tout en évitant les inconvénients liés aux très basses températures nécessaires au stockage à l’état liquide, on cherche à développer le stockage à l’état gazeux sous haute pression (700 bars). A ce niveau de compression, 4,6 litres de dihydrogène comprimé sont encore nécessaires pour produire autant d’énergie qu’avec 1 litre d’essence.
La R&D actuelle porte sur des réservoirs qui allient l’imperméabilité aux molécules de dihydrogène à la résistance aux hautes pressions et aux chocs. La partie interne du réservoir (le liner), assurant le confinement du dihydrogène, est réalisée en polymère* selon un procédé innovant de synthèse et transformation simultanées. La coque composite externe assure quant à elle la résistance et la protection mécaniques. Elle est constituée par enroulement filamentaire et utilise des matériaux issus de l’aéronautique comme les fibres de carbone haute résistance.

La molécule de dihydrogène présente une affinité chimique pour de nombreux corps et peut soit s’adsorber sur un support organique ou composé de nanotubes de carbone, soit former des composés chimiques nommés hydrures (sur des métaux tels que les alliages de nickel, titane et magnésium), de manière réversible. Selon la nature du support, la température et la pression de stockage et de restitution sont variables, mais jamais excessives. La R&D dans ce domaine permettra de disposer dans un avenir proche de procédés de stockage variés et adaptés à leur usage (toute application à faible contrainte sur le poids : stationnaire, engins spéciaux...).


Stockage sous forme d’hydrures à basse pression

La molécule de dihydrogène présente une affinité chimique pour de nombreux corps et peut soit s’adsorber sur un support organique ou composé de nanotubes de carbone, soit former des composés chimiques nommés hydrures (sur des métaux tels que les alliages de nickel, titane et magnésium), de manière réversible. Selon la nature du support, la température et la pression de stockage et de restitution sont variables, mais jamais excessives. La R&D dans ce domaine permettra de disposer dans un avenir proche de procédés de stockage variés et adaptés à leur usage (toute application à faible contrainte sur le poids : stationnaire, engins spéciaux...).