Comprendre le stockage de l'hydrogène : Un guide mondial complet

L'hydrogène est de plus en plus reconnu comme un vecteur énergétique clé dans la transition mondiale vers un avenir durable. Son potentiel pour décarboner divers secteurs, y compris les transports, l'industrie et la production d'électricité, est considérable. Cependant, l'adoption généralisée de l'énergie hydrogène dépend du développement de solutions de stockage efficaces et rentables. Ce guide offre un aperçu complet des différentes méthodes de stockage de l'hydrogène, de leurs défis et des dernières avancées qui stimulent l'innovation dans ce domaine critique.

L'importance du stockage de l'hydrogène

L'hydrogène, bien qu'abondant, existe principalement dans des composés comme l'eau (H2O) ou les hydrocarbures (par exemple, le méthane, CH4). Extraire l'hydrogène pur nécessite de l'énergie, et son stockage pose des défis uniques en raison de sa faible densité et de sa grande inflammabilité. Un stockage efficace est crucial pour plusieurs raisons :

• Permettre le transport alimenté à l'hydrogène : Stocker suffisamment d'hydrogène à bord des véhicules est essentiel pour atteindre des autonomies pratiques pour les véhicules électriques à pile à combustible (VÉPAC).
• Intégrer les sources d'énergie renouvelables : L'hydrogène peut servir de tampon énergétique, stockant l'excès d'énergie renouvelable (par exemple, solaire, éolienne) pendant les périodes de forte production et la libérant lorsque la demande est élevée, contribuant ainsi à la stabilité du réseau.
• Décarboner les processus industriels : De nombreux processus industriels nécessitent de l'hydrogène comme matière première. Un stockage efficace permet un approvisionnement fiable en hydrogène produit à partir de sources renouvelables, réduisant la dépendance aux combustibles fossiles.
• Créer une économie mondiale de l'hydrogène : Des solutions de stockage efficaces sont vitales pour faciliter le commerce international de l'hydrogène, permettant aux pays disposant de ressources énergétiques renouvelables abondantes d'exporter de l'hydrogène vers ceux ayant des demandes énergétiques plus élevées.

Méthodes de stockage de l'hydrogène

Les technologies de stockage de l'hydrogène peuvent être largement classées en méthodes de stockage physique et chimique. Chaque approche a ses avantages et ses inconvénients en termes de capacité de stockage, d'efficacité énergétique, de coût et de sécurité.

1. Stockage physique

Le stockage physique consiste à stocker l'hydrogène sous forme de gaz ou de liquide dans des conditions de température et de pression spécifiques.

a) Hydrogène gazeux comprimé

Le stockage de l'hydrogène gazeux comprimé consiste à comprimer l'hydrogène à de hautes pressions (généralement de 350 à 700 bars, et même jusqu'à 1000 bars dans certaines applications) et à le stocker dans des réservoirs sous pression robustes. Il s'agit d'une technologie relativement mature avec des solutions disponibles sur le marché.

Avantages :

• Technologie relativement simple.
• Temps de ravitaillement rapides.
• Infrastructure bien établie pour la manipulation des gaz.

Inconvénients :

• Faible densité énergétique volumétrique (par rapport aux carburants liquides).
• Consommation d'énergie élevée pour la compression.
• Préoccupations de sécurité liées au stockage à haute pression.
• Réservoirs de stockage lourds et encombrants.

Exemples :

L'hydrogène comprimé est largement utilisé dans les VÉPAC. Par exemple, le NEXO FCEV de Hyundai utilise trois réservoirs d'hydrogène haute pression d'une capacité de stockage de 6,33 kg à 700 bars, offrant une autonomie de plus de 600 km (norme WLTP).

b) Hydrogène liquide

Le stockage de l'hydrogène liquide consiste à refroidir l'hydrogène jusqu'à son point d'ébullition cryogénique (-253°C) pour le condenser en un liquide. Cela augmente considérablement la densité énergétique volumétrique par rapport au gaz comprimé.

Avantages :

• Densité énergétique volumétrique plus élevée que le gaz comprimé.
• Pression de stockage plus faible.

Inconvénients :

• Consommation d'énergie élevée pour la liquéfaction.
• Pertes par évaporation (« boil-off ») (évaporation de l'hydrogène due à une fuite de chaleur dans le réservoir).
• Infrastructure cryogénique complexe et coûteuse.

Exemples :

L'hydrogène liquide est utilisé dans les programmes spatiaux (par exemple, la navette spatiale de la NASA) et est exploré pour des applications de transport long-courrier, telles que les avions et les navires. Par exemple, Airbus développe des avions à hydrogène qui utiliseront le stockage d'hydrogène liquide.

2. Stockage chimique

Le stockage chimique consiste à stocker l'hydrogène dans des composés chimiques, qui libèrent de l'hydrogène lors d'une réaction avec un déclencheur, tel que la chaleur ou un catalyseur.

a) Hydrures métalliques

Les hydrures métalliques sont des composés formés par la réaction de l'hydrogène avec certains métaux ou alliages. L'hydrogène est stocké dans le réseau métallique et peut être libéré en chauffant l'hydrure.

Avantages :

• Densité énergétique volumétrique plus élevée que le gaz comprimé.
• Stockage relativement sûr.
• Potentiel de stockage réversible (recharge avec de l'hydrogène).

Inconvénients :

• Poids élevé du matériau d'hydrure métallique.
• Cinétique de libération de l'hydrogène relativement lente.
• Coût élevé de certains matériaux d'hydrures métalliques.
• Défis de gestion de la chaleur pendant la charge et la décharge.

Exemples :

L'hydrure de lanthane-nickel (LaNi5H6) et l'hydrure de magnésium (MgH2) sont des exemples d'hydrures métalliques étudiés pour le stockage de l'hydrogène. La recherche se concentre sur l'amélioration de leur capacité de stockage d'hydrogène et de leur cinétique par l'alliage et la nanostructuration. Par exemple, des chercheurs au Japon travaillent activement sur des systèmes à base de MgH2 modifiés avec des catalyseurs pour améliorer leurs performances.

b) Hydrures chimiques

Les hydrures chimiques sont des composés qui libèrent de l'hydrogène lors d'une réaction avec de l'eau ou un autre réactif. Les exemples incluent le borohydrure de sodium (NaBH4) et l'ammoniac borane (NH3BH3).

Avantages :

• Haute capacité de stockage d'hydrogène.
• Stables à température ambiante.

Inconvénients :

• Libération d'hydrogène irréversible pour certains hydrures chimiques (nécessitant une régénération).
• Complexité de la réaction et de la gestion des sous-produits.
• Coût élevé de certains hydrures chimiques.

Exemples :

Le borohydrure de sodium (NaBH4) a été utilisé dans certaines applications de piles à combustible. La recherche se concentre sur le développement de méthodes efficaces pour régénérer le borohydrure usé. L'ammoniac borane (NH3BH3) est un autre hydrure chimique prometteur, mais sa régénération reste un défi. Des chercheurs en Allemagne et aux États-Unis explorent diverses voies pour la régénération efficace de ces matériaux.

c) Liquides organiques porteurs d'hydrogène (LOHC)

Les LOHC sont des liquides organiques qui peuvent lier réversiblement l'hydrogène par des réactions d'hydrogénation et de déshydrogénation. Les exemples incluent le couple toluène/méthylcyclohexane et dibenzyltoluène/perhydro-dibenzyltoluène.

Avantages :

• Haute densité énergétique volumétrique.
• Faciles à transporter et à stocker en utilisant l'infrastructure existante.
• Relativement sûrs et stables dans des conditions ambiantes.

Inconvénients :

• Consommation d'énergie élevée pour l'hydrogénation et la déshydrogénation.
• Coût des catalyseurs et des matériaux LOHC.
• Potentiel de désactivation du catalyseur.
• Dégradation partielle du LOHC sur plusieurs cycles.

Exemples :

Le système toluène/méthylcyclohexane est l'un des LOHC les plus étudiés. L'hydrogène est ajouté au toluène pour former du méthylcyclohexane, qui peut être transporté et stocké. L'hydrogène est ensuite libéré en déshydrogénant le méthylcyclohexane pour revenir au toluène. Des entreprises au Japon et en Allemagne développent et déploient activement des solutions de stockage et de transport d'hydrogène basées sur les LOHC. Chiyoda Corporation au Japon a démontré une chaîne d'approvisionnement mondiale en hydrogène en utilisant sa technologie SPERA Hydrogen™ basée sur le système LOHC toluène/méthylcyclohexane, transportant l'hydrogène de Brunei au Japon.

3. Stockage à base de matériaux (Adsorption)

Cette méthode utilise des matériaux à grande surface spécifique, tels que le charbon actif, les réseaux métallo-organiques (MOF) et les nanotubes de carbone, pour adsorber les molécules d'hydrogène.

Avantages :

• Pression de stockage relativement faible par rapport au gaz comprimé.
• Potentiel de haute capacité de stockage d'hydrogène à basses températures.

Inconvénients :

• Faible capacité de stockage d'hydrogène à température ambiante.
• Coût élevé de certains matériaux avancés (par exemple, les MOF).
• Défis dans la synthèse et la mise à l'échelle des matériaux.

Exemples :

Des chercheurs du monde entier développent et caractérisent activement de nouveaux MOF et autres matériaux nanoporeux pour le stockage de l'hydrogène. Par exemple, des scientifiques dans des universités et des instituts de recherche aux États-Unis, en Europe et en Asie synthétisent des MOF avec des propriétés d'adsorption d'hydrogène améliorées, telles qu'une surface spécifique accrue et des interactions plus fortes avec les molécules d'hydrogène. La recherche de matériaux pouvant stocker efficacement l'hydrogène à des températures et pressions proches de l'ambiante reste un objectif clé.

Défis et orientations futures du stockage de l'hydrogène

Bien que des progrès significatifs aient été réalisés dans les technologies de stockage de l'hydrogène, plusieurs défis subsistent :

• Coût : Réduire le coût des systèmes de stockage de l'hydrogène est crucial pour rendre l'énergie hydrogène compétitive par rapport aux carburants conventionnels. Cela inclut la réduction du coût des matériaux, de la fabrication et de l'infrastructure.
• Efficacité énergétique : Améliorer l'efficacité énergétique des processus de stockage de l'hydrogène, tels que la compression, la liquéfaction et l'hydrogénation/déshydrogénation, est essentiel pour maximiser l'efficacité énergétique globale de la chaîne de valeur de l'hydrogène.
• Capacité de stockage : Augmenter la capacité de stockage d'hydrogène gravimétrique (basée sur le poids) et volumétrique (basée sur le volume) des systèmes de stockage est vital pour les applications où l'espace et le poids sont des facteurs critiques, comme les transports.
• Sécurité : Assurer le stockage et la manipulation en toute sécurité de l'hydrogène est primordial. Cela inclut le développement de protocoles de sécurité robustes et de technologies pour prévenir les fuites et les explosions.
• Durabilité : Améliorer la durabilité et la durée de vie des systèmes de stockage de l'hydrogène est important pour réduire les coûts de maintenance et assurer une fiabilité à long terme.
• Infrastructure : Développer une infrastructure hydrogène étendue, y compris des stations de ravitaillement et des pipelines, est nécessaire pour l'adoption généralisée de l'énergie hydrogène.
• Stabilité des matériaux : Améliorer la stabilité à long terme des matériaux utilisés dans le stockage chimique est important pour prévenir la dégradation et maintenir les performances sur de longues périodes.

Les futurs efforts de recherche et de développement se concentrent sur la résolution de ces défis et le développement de solutions de stockage de l'hydrogène innovantes. Certains domaines d'intérêt clés incluent :

• Matériaux avancés : Développer de nouveaux matériaux avec des propriétés de stockage d'hydrogène améliorées, tels que les MOF, les réseaux covalents organiques (COF) et les alliages à haute entropie.
• Nanotechnologie : Utiliser la nanotechnologie pour améliorer les performances des matériaux de stockage existants et créer de nouveaux concepts de stockage.
• Cryo-compression : Combiner le refroidissement cryogénique avec la compression pour atteindre une haute densité d'hydrogène à des pressions modérées.
• Stockage électrochimique : Explorer des méthodes électrochimiques pour stocker l'hydrogène, telles que les batteries à hydrogène.
• Matériaux multifonctionnels : Développer des matériaux qui peuvent remplir plusieurs fonctions, comme le stockage de l'hydrogène et la production d'électricité.
• Procédés de régénération améliorés : Développer des méthodes plus efficaces et rentables pour régénérer les hydrures chimiques usés.
• Systèmes LOHC optimisés : Concevoir des systèmes LOHC avec des températures d'hydrogénation/déshydrogénation plus basses et des catalyseurs plus stables.

Initiatives et investissements mondiaux

Les gouvernements et les industries du monde entier investissent massivement dans la recherche et le développement du stockage de l'hydrogène. Les exemples incluent :

• Le programme hydrogène du Département de l'Énergie des États-Unis (DOE) : Soutient les projets de recherche, de développement et de démonstration visant à faire progresser les technologies de l'hydrogène et des piles à combustible, y compris le stockage de l'hydrogène.
• La stratégie hydrogène de l'Union européenne : Vise à accélérer le développement et le déploiement des technologies de l'hydrogène à travers l'Europe, y compris le stockage de l'hydrogène.
• Le Conseil de l'hydrogène : Une initiative mondiale dirigée par des PDG de grandes entreprises de l'énergie, du transport, de l'industrie et de l'investissement, avec une vision unie et une ambition à long terme pour que l'hydrogène favorise la transition énergétique.
• Stratégies nationales pour l'hydrogène : De nombreux pays, dont l'Australie, le Canada, l'Allemagne, le Japon et la Corée du Sud, ont élaboré des stratégies nationales pour l'hydrogène qui incluent des objectifs et des financements pour la recherche et le déploiement du stockage de l'hydrogène.

Conclusion

Le stockage de l'hydrogène est une technologie habilitante essentielle pour l'adoption généralisée de l'énergie hydrogène. Bien que des défis subsistent, les efforts continus de recherche et de développement stimulent l'innovation en science des matériaux, en ingénierie et en conception de systèmes. À mesure que les technologies de l'hydrogène mûrissent et que les coûts diminuent, le stockage de l'hydrogène jouera un rôle de plus en plus important dans la décarbonation de divers secteurs et la création d'un avenir énergétique durable pour le monde. La clé pour libérer tout le potentiel de l'hydrogène réside dans la poursuite continue de solutions de stockage efficaces, sûres et rentables capables de répondre aux besoins divers d'une économie mondiale de l'hydrogène. La collaboration internationale et le partage des connaissances sont essentiels pour accélérer les progrès dans ce domaine vital.