L’Hydrogène vecteur énergétique pour des applications embarquées

Les sources renouvelables (hydraulique et éolienne) représentent une infime partie de l’énergie motrice. Dans sa quasi totalité, celle-ci provient de moteurs thermiques dont le rendement moyen est de l’ordre de 15 %. Aujourd’hui les piles à combustible directement alimentées en hydrogène atteignent des rendements nets de l’ordre de 50 %, ce qui suscite un intérêt certain pour cette filière. Le principe de la pile à combustible fut énoncé pour la première fois en 1802 par Sir Henry Davy, et l’expérience fut réussie 37 ans plus tard par Sir William Grove, mais son développement s’est toujours heurté à des difficultés technologiques et au coût élevé de ses matériaux de constitution. Les progrès réalisés ces dernières décennies promettent cependant aux piles à combustible un bel avenir, aussi bien pour les applications mobiles (transports, électronique portable …) que pour les installations stationnaires. La pile à combustible est un générateur électrochimique qui permet de convertir directement l’énergie chimique en énergie électrique. A la différence des cycles thermodynamiques conventionnels, son rendement échappe au rendement de Carnot. Par rapport aux piles primaires et secondaires traditionnelles, la pile est alimentée en continu par un combustible, ce qui permet la production de courant de manière ininterrompue. Bien que certains constructeurs n’excluent pas la adaptées au contexte automobile. Une pile à combustible est constituée d’un empilement de cellules élémentaires reliées en série.

Chaque cellule se compose d’un compartiment alimenté en hydrogène et d’un compartiment alimenté en oxygène (ou air). Les deux compartiments sont séparés par un électrolyte qui autorise le passage des ions mais pas des électrons. Dans les piles de type “PEM” (proton exchange membrane), qui sont aujourd’hui, l’un des types de pile à combustible le plus étudié, l’électrolyte permet la migration des L’utilisation des piles à combustible pour les applications embarquées est particulièrement intéressante, puisque celle-ci permet d’alimenter directement les moteurs électriques (véhicule à pile à combustible FCV) ou d’être couplée à des batteries (véhicule hybride à pile à combustible, HFCV). – soit par production centralisée d’hydrogène qui a pour avantage de permettre éventuellement la capture et la séquestration du dioxyde de carbone en provenance des combustibles fossiles. Mais qui se heurte actuellement, aux contraintes techniques de capture et de séquestration du dioxyde de carbone, du stockage de l’hydrogène à bord du véhicule ainsi qu’à l’absence d’infrastructures de distribution. Même si quelques infrastructures pilotes se développent, la mise en place d’une infrastructure globale nécessiterait des investissements colossaux. L’hydrogène possède un haut pouvoir calorifique massique : 120 kJ/g comparé à l’essence (42.8 kJ/g), au méthanol (20 kJ/g) et au méthane (50 kJ/g). Cependant c’est aussi le gaz le plus léger (2,016 g/mole H2), d’où un faible pouvoir calorifique volumique à pression atmosphérique : 11 kJ/Ln face au méthanol (16000 kJ/Ln ) et au méthane (32.6 kJ/Ln). Ces caractéristiques sont à l’origine des problèmes de stockage et d’acheminement de l’hydrogène. La densité énergétique volumique de l’hydrogène n’est intéressante qu’à l’état liquide ou comprimé à très haute pression.

Stockage par compression

La compression nécessite de l’énergie, celle-ci dépend du processus considéré : en pratique le processus de compression isotherme n’est pas réalisable car il est trop long. Dans la réalité on se rapproche d’un processus adiabatique. Aujourd’hui, l’énergie nécessaire pour comprimer l’hydrogène de 1 bar à 700 bars correspond à environ 20 % du PCI. L’hydrogène peut être stocké dans des bouteilles de quelques litres ou dans des réservoirs de grand volume. Les bouteilles commercialisées actuellement permettent d’obtenir des pressions d’environ 350 bars. Il existe des réservoirs sphériques ou cylindriques : les seconds sont les plus appropriés au cas de l’automobile mais nécessitent une adaptation de l’architecture du véhicule. Cette étape est réalisée soit par un cycle frigorifique à l’hélium (cycle Brayton), soit par un cycle frigorifique à l’hydrogène (cycle Claude). Ces deux cycles sont composés d’une succession de compressions et de détentes avec extraction de chaleur, qui amènent l’hydrogène gazeux à la température de 20 K. L’hydrogène est finalement liquéfié par une détente supplémentaire de type Joule-Thomson.

La conversion de l’ortho-hydrogène “o-H2” (dont les spins nucléaires des deux atomes sont parallèles) en para-hydrogène “p-H2” (caractérisé par des spins nucléaires opposés), est une étape primordiale qui permet d’éviter une vaporisation et donc une perte d’hydrogène liquide dans le stockage. Cette étape, exothermique et naturellement lente est catalysée (généralement par un oxyde de fer comme le “Fe(OH)3”). Pour éviter les pertes thermiques, les réservoirs possèdent des parois multipes. L’espace inter-paroi est soit sous vide, soit rempli de super isolants ou d’air liquide (procédé Linde Gas). Les réservoirs sont en acier mais les constructeurs tentent de développer des matériaux composites plus légers. En considérant le poids du réservoir, les densités énergétiques obtenues avec les technologies actuelles se situent aux alentours de 22 kJ/g.