L’hydrogène, revue de littérature et contexte

Hydrogène: vecteur énergétique

Le monde voit sans cesse une hausse rapide des besoins en énergie. En effet, la consommation d’énergie mondiale a augmenté de 105 % entre 1973 à 2016 [1]. Malheureusement, cette consommation effrénée d’énergie est responsable d’un réchauffement climatique qui bouleverse l’équilibre de la planète à ùne vitesse jamais observée. La corrélation entre l’utilisation de combustible fossile et les réchauffements climatiques est maintenant une évidence. Les demandes en énergies sont comblées à l ‘heure actuelle à environ 80 % avec la production mondiale de combustibles fossiles. Dans un contexte où les demandes en énergies ne cessent d’augmenter, l’utilisation d’énergie verte est devenue incontournable et indispensable pour la survie de la planète.

Ces énergies vertes proviennent principalement des formes suivantes: solaire, éolienne, géothermique et marémotrice. L’inconvénient de ces énergies est qu’elles sont intermittentes et leur production est souvent déphasée par rapport aux besoins réels en énergie. Ainsi, l’utilisation des énergies vertes doit être soutenue par un système de stockage d’énergie. De tels systèmes peuvent prendre la forme de stockage chimique, cinétique ou encore en utilisant un vecteur énergétique. Pour le stockage chimique, on utilisera entre autres les batteries, les biomasses telles que l’éthanol et les autres combustibles liquides; pour le stockage cinétique, on utilisera un système de volant d’inertie (en anglais, on parle deflywheel); finalement, pour le stockage en utilisant un vecteur énergétique, on parlera de l ‘hydrogène comme choix par excellence. L’hydrogène constitue un choix viable pour pallier l’utilisation des combustibles fossiles. Il peut être produit par électrolyse de l’eau et il est une bonne source d’énergie, malgré les pertes en efficacité au cours du cycle. L’électrolyse de l’eau, lorsqu’effectuée grâce à l’hydroélectricité, peut permettre de stocker l’énergie lorsque la production dépasse la demande (exemple: lorsqu’ il y a trop d’eau dans les barrages).

Le «Departement of Energy» (DOE), département de l’énergie du gouvernement des États-Unis, s’intéresse aux politiques en matière d’énergie. Cet organisme met en place des cibles à atteindre afin que l ‘hydrogène soit une alternative intéressante pour l’industrie. Le programme « Hydrogen and Fuel CeUs Program » (Hydrogène et piles à combustible) a pour mission de réduire l’utilisation du pétrole, les émissions de gaz à effet de serre et la pollution atmosphérique, et de contribuer à une infrastructure énergétique plus diversifiée et plus efficace en permettant la commercialisation à grande échelle de ces technologies. Les principaux objectifs du programme sont de faire progresser ces technologies, grâce à des efforts de recherche, de développement et de validation, pour être compétitif par rapport aux technologies actuelles en termes de coûts et de performances et pour réduire les obstacles institutionnels et commerciaux à leur commercialisation [2]. Ces cibles sont établies par le gouvernement américain et permettent de réguler l’utilisation de 1’hydrogène, pour que celle-ci demeure compétitive en regard à notre utilisation actuelle des combustibles fossiles. Cet organisme a pour but d’ établir le bilan de chaque technologie afin que les habitudes des Américains ne soient pas chamboulées. C’est cette prémisse qui est à la base de la cible établie depuis plusieurs années, soit de 500 km d’ autonomie pour un véhicule ayant l ‘hydrogène comme principale source énergétique.

La demande en hydrogène, de nos jours, est comblée à 90 % par l’utilisation du reformage du méthane et cela constitue un déplacement des émissions de gaz à effet de serre. Toutefois, il existe plusieurs façons de produire de l’hydrogène et la plupart d’entre elles sont vertes.

Le stockage de l’ hydrogène 

Lorsque l’utilisation de l’hydrogène nécessite un stockage en regard à son utilisation, il y a plusieurs mécanismes qui peuvent être utilisés. Nous vous présenterons dans cette section les différentes façons de stocker l ‘hydrogène. Le DOE a mis en place des critères afin d’avoir un stockage qui serait applicable aux véhicules. Ces critères prennent en compte la rentabilité du stockage. Ainsi, on considèrera : les densités gravimétriques et volumiques et la réversibilité des charges et décharges. À ce jour, cinq techniques principales répondent de façon effective à ces critères: la compression, la liquéfaction, la physisorption, les hydrures métalliques et les hydrures complexes. Les paragraphes suivants nous permettent de décrire ces différentes techniques [10).

Compression
La façon la plus simple et commune de stocker 1 ‘hydrogène est sous forme gazeuse à haute pression. La compression est une forme de stockage requérant des réservoirs pouvant résister à de grandes pressions (on utilisera un facteur de sécurité de 2,5 fois la pression de travail). Pour le domaine automobile, la pression de travail est de 700 bars et pour les véhicules lourds (camion, autobus et autocar), elle est plutôt de 350 bars. Pour des considérations de sécurité, ce type de stockage doit tenir compte de l’ épaisseur de la paroi du réservoir utilisé. Cette particularité augmente le poids du système mais également son coût [9]. Un avantage indéniable de ce type de stockage est que la température de travail de l’hydrogène est de 25 oc. Pour ce genre de stockage, le poids du réservoir doit être pris en compte quant à la capacité gravimétrique réelle. La capacité réelle de stockage est donc de : 5,2 à 5,5% selon la pression d’opération du système. Si la pression d’opération est de 700 bars le réservoir doit être renforci et la capacité gravimétrique de stockage est moindre (5 ,2 % poids) et elle est davantage élevée lorsque la pression est plus faible: à 350 bar la capacité gravimétrique grimpe à 5,5 % [12].

Liquéfaction
L’hydrogène stocké sous forme liquide, à une température d’opération très faible ( 20 K), oblige l’utilisation de contenants cryogéniques. L’ abaissement de la température rend celui-ci très volatil et des techniques d’isolation sophistiquées doivent être utilisées pour conserver l’ hydrogène à l’ état liquide. L’hydrogène liquéfié aura une évaporation assez rapide, puisque celui-ci se retrouve en configuration parahydrogène/orthohydrogène (99,8/0,2) en proportion très loin de la proportion à l’équilibre, à température ambiante. La proportion à l’équilibre étant de 25 % parahydrogène et 75 % orthohydrogène, lors de la conversion par-ortho, la réaction génère de la chaleur et cela évapore l’hydrogène  liquide jusqu’à l’ atteinte de l’équilibre. En général, cette évaporation est finalisée en dix jours, ce qui implique que ce genre de stockage doit être utilisé rapidement [13]. Des techniques de conversion de l’hydrogène sont possibles pour éviter ce genre de situation. Ces techniques requièrent l’utilisation de catalyseurs lors de la liquéfaction.

Physisorption
Une autre option de stockage est la physisorption. Dans cette technique de stockage, l ‘hydrogène est disponible de façon réversible. Cette forme de stockage a comme particularité que l’hydrogène y est stocké sous forme moléculaire (H2). Ce sont les forces de Van der Waals (interactions électriques faibles entre l’adsorbant (substrat) et l’adsorbat (l’hydrogène)) qui rendent possible l’adhésion de l’hydrogène à la surface adsorbante. Dans cette technique, la géométrie de l’adsorbant devra être prise en compte, puisque celle-ci aura un impact direct sur le mécanisme d’adsorption. Les matériaux utilisés ont une capacité de stockage intéressante, soit de 6,5 % poids. La température est également un élément clé à considérer pour évaluer cette technique. Il est à noter que les températures d’opérations avoisinent la température de l’azote liquide (soit 77 K). Les principaux matériaux utilisés dans ce type de stockage sont : les charbons activés, les nanotubes de carbone et les MOF (Metal- organicframeworks). L’adsorption étant endothermique, il doit y avoir un apport calorifique lors de l’extraction de l’hydrogène. Cet apport calorifique peut sembler idéal puisque dans ces conditions de stockage, chauffer veut souvent dire le retour à la température pièce, ce qui demande moins d’énergie que d’autres formes de stockage .