Des solutions pour stocker l'hydrogène dans l'auto

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Des solutions pour stocker l'hydrogène dans l'auto

L'utilisation de l'hydrogène dans les piles à combustible est un casse-tête. Le reformage d'hydrocarbures embarqués ne s'affranchit pas des énergies fossiles. Le stockage ou la production d'hydrogène in situ apparaît comme une voie d'avenir.

Des physiciens de l'université de Virginie viennent de stupéfier leurs col-lègues avec un nouveau matériau capable de stocker l'hydrogène de manière stable et réversible, donc prometteuse pour l'alimentation de piles à combustible. Leur record, une capacité d'absorption massique de... 14 %.

Modeste en apparence, ce pour- centage est très encourageant. « La plupart des matériaux étudiés aujourd'hui absorbent au mieux 7 ou 8 % d'hydrogène et encore à des températures cryogéniques. Nos matériaux en absorbent donc deux fois plus, et ce à température ambiante », explique Adam Phillips, l'un des chercheurs. Il pourrait ajouter que les meilleurs candidats connus jusqu'à présent étaient des hydrures métalliques, dont la capacité d'absorption massique à température ambiante est plutôt de l'ordre de... 2 %. Le nouveau matériau - imaginé au départ de manière théorique par un laboratoire public américain, le Nist, et par une université turque - est un complexe de titane et d'éthylène capable de piéger vingt atomes d'hydrogène et dont la fabrication devrait pouvoir être simple et peu coûteuse.

L'hydrogène, directement dans le véhicule

Jusqu'ici, les efforts sur le stockage de l'hydrogène affichaient des résultats quelque peu décourageants. En 2005, le partenariat américain FreedomCAR (entre le Département de l'énergie et le consortium industriel Uscar) avait dû reconnaître que ses objectifs planchers n'avaient pas été atteints. Encore étaient-ils modestes, à 4,5 %. Mais à 14 %, le complexe de titane mis au point à l'université de Virginie fait beaucoup mieux que l'objectif 2015 (9 %) de FreedomCAR et rapproche du véhicule à pile à combustible doté d'une autonomie de 450 kilomètres environ.

La problématique est simple. Au milieu des années 1990, emmenée par l'automobile, l'industrie s'entichait des piles à combustible, censées amener une « économie hydrogène » propre et affranchie des énergies fossiles. Mais la réalité a vite frappé à la porte. A défaut d'un effort sur une infrastructure planétaire, il n'est pas facile de livrer de l'hydrogène « à la pompe » comme l'essence aujourd'hui. Si l'hydrogène a une bonne énergie massique, il possède par contre une mauvaise énergie volumique qui force généralement à le conserver sous pression. L'hydrogène stocké sous forme de gaz ou de liquide est alors délicat à contrôler et dangereux. De plus, sa production à très grande échelle serait coûteuse, polluante et grosse consommatrice... d'énergie.

La solution de rechange, proposée très tôt par les constructeurs automobiles, a été d'utiliser des reformeurs embarqués - convertisseurs chimiques utilisant un carburant conventionnel (essence, gaz) ou non (biomasse) - pour produire de l'hydrogène in situ. Mais concrètement la plupart des mises en oeuvre suggérées restent liées à « l'économie fossile ».

Spécifications d'un matériau de stockage


Feuille de route du consortium américain Uscar

En 2010
> Température de fonctionnement : - 30 à + 50°C.
> Nombre de cycles : 1000.
> Temps de recharge : trois minutes.
> Perte d'hydrogène/kg stocké : 0,1 g/h.
Coût : 4 dollars par kWh.
En 2015
> Température de fonctionnement : - 40 à + 60°C.
> Nombre de cycles : 1 500.
> Temps de recharge : 2,5 minutes.
> Perte d'hydrogène/kg stocké : 0,05 g/h.
> Coût : 2 dollars par kWh.



D'où l'attrait d'une troisième voie mettant l'hydrogène directement dans le véhicule (ou tout équipement qui peut en avoir besoin), mais sous une forme stable et sans danger jusqu'à l'utilisation. En clair, piégé dans un autre matériau.

La gageure est que les candidats « naturels », les hydrocarbures, sont éliminés, au moins directement. D'une part, on veut s'affranchir de cette ressource fossile ; d'autre part, la liaison covalente carbone-hydrogène ne libère son hydrogène qu'à haute température, alors que l'on cherche une réversibilité du stockage dans des conditions moins extrêmes.

La méthode la plus evidente : l'absorption

Trois principales méthodes de stockage de l'hydrogène dans la matière sont explorées. La plus évidente est l'absorption, typiquement quand les atomes d'hydrogène viennent occuper les interstices d'une matrice cristallographique et sont piégés comme dans une éponge. On peut aussi faire appel à l'adsorption, phénomène de surface qui requiert de concevoir des matériaux avec une surface spécifique aussi grande que possible mais également une structure qui permet une libération relativement facile de l'hydrogène. Enfin, l'hydrogène peut être stocké par réaction chimique. Mais celle-ci doit être réversible, sinon une seconde réaction relativement simple doit permettre de libérer l'hydrogène.

Côté matériaux, tous les essais sont permis. Concrètement, un petit nombre de familles sont prometteuses, au premier rang desquels les hydrures métalliques complexes comme des alanates (un aluminium plus quatre hydrogènes). Le problème est souvent que les conditions optimales de leur stockage et restitution d'énergie sont rarement les conditions de fonctionnement des piles à combustible dans un véhicule. Et même si les densités de stockage taquinent les seuils espérés, d'autres objectifs doivent être atteints. Notamment en ce qui concerne la cinétique des réactions, le coût des matériaux et leur « recharge » réalisable in situ. En 2007, des chercheurs anglais ont isolé un hydrure de lithium prometteur (Li4BN3H10) opérant par « chimisorption » et qui semble mieux adapté aux plages de fonctionnement des piles à combus- tible que les hydrures de lithium précédents.

Le carbone, prometeur

Le stockage par réaction chimique est séduisant, à ceci près qu'il n'est généralement pas réversible in situ. Il est certes possible d'extraire l'hydrogène du matériau de stockage, mais la « recharge » de celui-ci doit le plus souvent se faire en dehors du véhicule posant ainsi des problèmes de logistique. Cette méthode fait appel à des réactions d'hydrolyse ou d'hydrogénation/déshydrogénation. En 2007, un procédé intéressant a été proposé par les chercheurs de l'université Purdue : une sorte de « moteur à eau », dans lequel l'hydrogène est obtenu en ajoutant de l'eau à un alliage d'aluminium et de gallium sous forme de granules. Le gallium empêche la formation d'alumine dans l'air mais permet la transformation en présence d'eau, fournissant de l'hydrogène et de l'alumine. Le gallium, ici passif, est réutilisable et l'alumine doit être recyclée hors du véhicule.

Enfin, même si l'association carbone-hydrogène est mal venue sous forme covalente, le carbone est prometteur, par exemple sous forme de nanotubes dopés. Le Nist a par exemple montré que des nanotubes (ou des buckyballs) dopés au titane peuvent théoriquement permettre d'absorber de l'hydrogène jusqu'à une densité massique de 8 %.

Jusqu'à l'annonce de l'université de Virginie, la situation était confuse. Les laboratoires de recherche ont multiplié des matériaux prometteurs ayant presque toujours un défaut ou un autre quand on commence à penser à leur utilisation à grande échelle. Le nouveau matériau, lui, a déjà l'avantage d'une densité massique jusqu'alors inespérée. S'il s'avère industrialisable, « l'économie hydrogène » aura trouvé un raccourci.


Philippe Deroin

La matière comme réservoir



1- Le stockage par adsorption

Le principe Formation d'une couche moléculaire ou atomique à la surface du matériau. Les avantages Aisément réversible à basses température et pression ; choix de mécanismes (physisorption ou chimisorption) donnant un lien plus ou moins fort. Les limitations Besoin d'un matériau à très forte surface spécifique ; densité généralement inférieure à celle de l'absorption.

2- Le stockage par absorption (hydrure intermétallique ou hydrure complexe)

Le principe L'hydrogène gaz est dissocié en atomes qui s'insèrent dans les vides de la structure. Les avantages Bonne densité ; réversible à basses température et pression. Les limitations Densité encore insuffisante ; besoin de stocker/extraire l'hydrogène dans tout un volume.



3- Le stockage chimique

Structure mise au point à l'université de Virginie. Un complexe est réalisé en associant l'héthylène à deux atomes de titane, formant un ensemble capable de piéger dix molécules d'hydrogène, soit vingt atomes. Le principe L'hydrogène est piégé dans un matériau, puis libéré, par une réaction chimique. Les avantages Densité potentielle élevée ; compacité. Les limitations Généralement pas réversible in situ dans des conditions de température et pression modérées.

Sources : DOE, NIST

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