Stocker de l'hydrogène sans créer de bombes : McPhy prend du magnésium

Financée par le fonds d'investissement Emertec 4, la société drômoise McPhy promet : elle a mis au point une technologie révolutionnaire pour stocker l'hydrogène.

Partager

Stocker de l'hydrogène sans créer de bombes : McPhy prend du magnésium
« Un consensus chez les industriels : l'économie de l'hydrogène sera une économie importante » annonce Bernard Maître, président du directoire d'Emertec Gestion. Vert, propre, l'hydrogène est l'énergie de l'après-pétrole, d'autant qu'il est puissant : un kilo d'hydrogène libère trois fois plus d'énergie qu'un kilo d'essence. Problème, jusqu'à présent : c'est coûteux à fabriquer, et c'est dangereux à stocker.

Du fait de sa très faible densité volumique normale sous forme gazeuse (0,09kg par mètre cube), deux façons de faire existaient jusqu'à présent pour le stocker à l'échelle industrielle. Première solution : le comprimer à très forte pression, à plus de 700 bars dans un réservoir hermétique placé sous le coffre et les sièges des voitures roulant à l'hydrogène par exemple. Ou bien, deuxième possibilité, le rendre liquide, ce qui implique de pouvoir le stocker à -250 degrés Celsius. Un peu compliqué et coûteux pour un système embarqué : « on ne va pas faire de la cryogénie dans des bagnoles » ! commente Bernard Maître, président du directoire d'Emertec Gestion.

La société Mc Phy va le stocker sous forme... solide. Et pour cela, elle utilisera du magnésium. « Les hydrures de magnésium (de formule MgH2) ont des propriétés tout à fait intéressantes : elles sont avides d'hydrogène et peuvent en stocker en grande quantité » explique Bernard Maître. Pendant plusieurs années, les chercheurs du CNRS ont développé des formes nanostructurées d'hydrures de magnésium, susceptibles de stocker et de restituer immédiatement, en quelques secondes, à pression presque atmosphérique, de l'hydrogène. Les entrepreneurs ont mis en place des réservoirs « très sophistiqués, universels », pour stocker cet hydrogène.

MgH2 mon hydrure. L'hydrure de magnésium a tout pour plaire. Le magnésium est léger, abondant, recyclable, et inoffensif : les déchets ne vont pas se décomposer ni polluer. « On trouve des minerais de magnésium assez bien répartis sur le globe même si les Chinois sont leaders du magnésium en ce moment, parce qu'ils l'extraient au meilleur prix du marché » commente le chercheur Daniel Fruchart, de l'institut Néel à Grenoble (CNRS) .


Un rendement de 7,6%

La masse atomique du magnésium est de 24,3 u quand celle de l'hydrogène est de 1. Donc, dans la formule MgH2, pour 26,3 kg d'hydrure de magnésium, on stocke 2 kg d'hydrogène. C'est un rendement de 7,6% en masse. « Aujourd'hui c'est le seul hydrure qui monte à ce niveau-là de rendement, à l'échelle d'une production industrielle » précise Daniel Fruchart.


Les bons brevets. « Les recherches sur l'hydrure de magnésium se développent partout dans le monde, mais ceux qui ont déposé les bons brevets sont les chercheurs du CNRS », pose Bernard Maître. Une trouvaille née de la rencontre entre le chercheur Daniel Fruchart, spécialiste des aliages intermétalliques, et Michel Jehan, industriel familier de la métallurgie du magnésium. « Une relation assez informelle et anormale, pas économique au même titre que pourrait l'être celle d'un client et d'un fournisseur », commente Bernard Maître « et qui produit des résultats troublants ». Ces derniers seront vite rejoints par Bruno Wiriath, entrepreneur aux idées bien trempées qui avait, dans une autre vie, révolutionné l'industrie des alliances de mariage en détournant l'usage des machines-outils normalement utilisées dans l'industrie automobile.

La poule aux œufs d'or ? Une innovation aux applications gigantesques. Pour l'instant, la technologie est à peine sortie du laboratoire, tout n'en est qu'aux prémices, mais ses promesses attirent le chaland. Des contacts sont pris en Chine, au Canada... la société McPhy a toutes les chances de décoller très vite. Petit aperçu des applications en vue à tous les niveaux, depuis des procédés mettant en jeu de l'hydrogène à l'échelle de quelques grammes, à des utilisations en tonnes.


L'avenir de la bagnole. « Nous attendons beaucoup de l'hydrogène dans le domaine des transports » rappelle Bernard Maître. Chaque constructeur exhibe sa nouveauté roulant à l'hydrogène dans les salons automobiles, la centaine de Mercedes Benz circulant à Munich faisant ainsi office de vitrine. Problème : un réservoir d'hydrogène à 700 bars dans une voiture, c'est une bombe. Même si toutes les précautions ont été prises par les constructeurs, les risques d'explosion sont réels. Avec de l'hydrure de magnésium, l'hydrogène embarqué devient sécuritaire. «A température ordinaire il est parfaitement stable, il faut une température de plus de 300 degrés Celsius pour faire sortir l'hydrogène gazeux. » rappelle Daniel Fruchart. Si fuite du réservoir d'hydrure de magnésium il y a, il ne s'agira que d'une « traînée de poudre blanche sur la route » assure Bernard Maître.

Quant à la voiture de demain, le chercheur du CNRS la voit comme une hybride plutôt qu'une tout-électrique ou tout-hydrogène. « Le moteur à combustion interne, il ne faut pas du tout le mettre à la poubelle ! On peut encore le perfectionner » estime-t-il. Daniel Fruchart croit ainsi à un modèle mixte : un moteur électrique alimenté par une batterie électrochimique de forte capacité (type lithium-ion), agrémenté d'un moteur à combustion interne auxiliaire pour la recharger, dont le carburant fossile aurait été remplacé par de l'hydrogène (propre). La chaleur de ce moteur thermique pourrait être mise à profit pour accélérer la désorption de l'hydrogène : « le moteur à combustion interne perd 70% d'énergie sous forme calorifique, et produit à peine 30% d'énergie mécanique (en fait 15% sont finalement transmis à la roue, le reste étant dissipé sous forme de frottements). » Or, « la chaleur qui sort des tuyères est supérieure à la température nécessaire pour désorber les hydrures ». (Voir encadré « L'hydrure de magnésium a ses défauts »)

Produire de l'hydrogène propre

Aujourd'hui, il n'existe pas d'hydrogène réellement disponible. Les industries de l'ammoniaque, des engrais, des plastiques, qui utilisent ce gaz se le font livrer sous forme liquide ou sous pression depuis les raffineries. En effet, le craquage du pétrole, qui sert à élaborer du gazole dans les raffineries, génère de l'hydrogène en quantité (mais aussi du C02 !). Sous-produit des hydrocarbures fossiles, l'hydrogène récupéré des raffineries est tout juste suffisant pour couvrir les besoins de l'industrie chimique de transformation.
Electrolyse. Autre possibilité pour se procurer de l'hydrogène : l'électrolyse de l'eau. Séparer l'hydrogène et l'oxygène de l'eau par un courant électrique. « A plus de 150 dollars le baril, cela devient compétitif de faire de l'hydrogène par électrolyse à base d'éolien ou de solaire. La question va se poser assez vite », prévient Daniel Fruchart.


Maison. « Quand vous faîtes de l'électricité, il faut la consommer tout de suite. Ca ne se stocke pas, la batterie de type lithium-ion restera un stockage «nomade», pas un stockage de grande amplitude » estime Daniel Fruchart. Or l'éolien ou le solaire sont capricieux : le moment qui correspond au vent ou à l'ensoleillement maximal n'est pas forcément celui où la demande d'électricité est maximale. « Quand l'éolienne ou le panneau photovoltaïque produisent plus d'électricité que de besoin, il est facile d'utiliser ce courant pour fabriquer de l'hydrogène par électrolyse, et de stocker cet hydrogène pour l'utiliser plus tard » explique le chercheur.



Entre 7 et 8 heures le matin ou le soir, au moment du pic de consommation, l'hydrogène stocké peut être réinjecté pour alimenter une pile à combustible ou une turbine à hydrogène, qui générera le courant électrique demandé. A l'échelle d'une maison, il faudrait 2 kilos d'hydrogène en moyenne pour nourrir les besoins d'un foyer en électricité, selon qu'il possède une voiture électrique ou pas. Soit une « cave à vin » d'hydrure de moins d'un mètre cube.

Téléphone portable. Des petites cartouches d'hydrure de magnésium permettraient aux téléphones mobiles une autonomie de 15 jours au lieu de 3 jours en moyenne actuellement. Un portable consommerait pour ce faire moins de 2 grammes d'hydrogène par jour.

Centrale nucléaire. Ce n'est pas un hasard si Areva, spécialisé à Lyon dans l'électrolyse, la pile à combustible et le stockage d'hydrogène, est entré au capital de McPhy via son fonds Arevadelphi. L'idée dans les cartons est la suivante : mettre une turbine à hydrogène « derrière une centrale nucléaire », explique Bernard Maître. Il s'agirait exactement du même système que celui imaginé de façon décentralisée à l'échelle d'une maison, mais transposé à l'échelle d'une centrale nucléaire.
« On prévoit de produire de l'hydrogène par décomposition de l'eau à très haute température à partir de centrales nucléaires dédiées et optimisées pour cette opération » explique Daniel Fruchart.

La possibilité de stocker l'hydrogène permettrait de faire tourner la centrale nucléaire à régime constant (tandis qu'actuellement les barres contenant l'uranium sont levées ou descendues dans le réacteur pour réguler la puissance selon la demande d'électricité de jour ou de nuit) : le courant produit « en trop » la nuit pourrait être directement récupéré sous forme d'hydrogène, par électrolyse de l'eau à grande échelle. Lorsque le pic de consommation électrique se fera à nouveau sentir, le lendemain matin, la turbine à hydrogène pourra prendre le relais en utilisant l'hydrogène stocké pendant la nuit et produire du courant en doublon de la centrale nucléaire. Sorte de cycle combiné nouvelle génération, le dispositif rendrait la centrale d'autant plus productive.

Ana Lutzky

L'hydrure de magnésium a ses défauts

Avant de décrocher le gros lot, le CNRS et la société ont dû relever plusieurs défis liés au magnésium. Parmi les vilains traits de caractère du métal alcalino-terreux, voici ceux qu'a dû surmonter McPhy pour l'exploiter.

Il joue les escargots. Défaut du magnésium : il réagit très progressivement, « la cinétique d'absorption et de désorption est très lente » résume Daniel Fruchart. Lors du premier choc pétrolier dans les années 80, Mercedes à Stuttgart s'était intéressé au stockage de l'hydrogène sur du magnésium, pour faire rouler des bus et des voitures à l'hydrogène. Mais le constructeur allemand s'était heurté à cette lenteur : il fallait de longues heures pour libérer l'hydrogène et encore autant sinon plus pour le recharger. Il avait laissé tomber.

Depuis, au Canada, au Japon essentiellement et... en France, les chercheurs se sont penchés sur la nanostructuration pour hâter la réaction. En broyant le magnésium sous forme de poudre encore bien plus fine que la farine, pour obtenir des particules ou cristallites de 20 à 40 nanomètres, la solution a été trouvée : plus petits, les "flocons" de magnésium offrent une plus grande surface de réaction. Outre ce traitement mécanique de réduction de la taille critique des cristaux, un traitement chimique d'adjonction d'un faible pourcentage d'activateurs accélère le tout. « On a breveté des alliages, des petits aditifs qui permettent de décomposer la structure moléculaire » explique Daniel Fruchart. Ces 10 dernières années ont été bouleversées par cette double trouvaille : pour obtenir de l'hydrogène (l'absorber et le désorber), « on est passé de plusieurs heures, voire la journée, à quelques minutes » se réjouit le chercheur.

Il a besoin de chaleur, chaleur. Autre caractéristique : les réactions concernant l'hydrure de magnésium se font au mieux à des températures avoisinant les 300 degrés Celsius. De prime abord, on imagine qu'il faudrait un sacré four ! Bonne nouvelle : « déjà quand on met de l'hydrogène dans du magnésium, la réaction est très exothermique : elle dégage énormément de chaleur » explique Daniel Fruchart. La réaction s'auto-induit : plus le matériau se réchauffe, plus elle s'accélère. Jusqu'à atteindre 300 degrés Celsius. Précisément ce qu'il fallait pour que le rendement soit optimal. L'hydrogène est désormais stocké sous forme d'hydrure de magnésium. Au contraire, « quand on désorbe, la réaction est endothermique » : pour récupérer l'hydrogène sous forme de gaz, il faut chauffer le réservoir et consommer la même quantité de chaleur, environ 300 degrés Celsius. Qu'à cela ne tienne ! Le CNRS et McPhy ont mis au point des compartiments isolants autour du container d'hydrures, qui récupèrent la chaleur produite lors de la première réaction et la stockent pour l'utiliser plus tard, quand il faudra désorber l'hydrogène. Le tour est joué.


Lire aussi :
Hydrogène, algues et mobiles : la révolution passe par Emertec 4

Partager

NEWSLETTER Energie
Nos journalistes sélectionnent pour vous les articles essentiels de votre secteur.

Recevez directement leurs décryptages et analyses dans votre boîte mail:

Votre demande d’inscription a bien été prise en compte.

L'inscription aux newsletters vaut acceptation des Conditions Générales d'Utilisation. Lire la suite

Votre email est traité par notre titre de presse qui selon le titre appartient, à une des sociétés suivantes du : Groupe Moniteur Nanterre B 403 080 823, IPD Nanterre 490 727 633, Groupe Industrie Service Info (GISI) Nanterre 442 233 417. Cette société ou toutes sociétés du Groupe Infopro Digital pourront l'utiliser afin de vous proposer pour leur compte ou celui de leurs clients, des produits et/ou services utiles à vos activités professionnelles. Pour exercer vos droits, vous y opposer ou pour en savoir plus : Charte des données personnelles.

Fermer
LES ÉVÉNEMENTS L'USINE NOUVELLE

Trophée

TROPHÉES DES USINES 2021

100% digital , live et replay - 27 mai 2021

Gestion industrielle et Production

Déposez votre dossier avant le 5 mars pour concourir aux trophées des usines 2021

Conférence

MATINÉE INDUSTRIE DU FUTUR

100% digital , live et replay - 27 mai 2021

Gestion industrielle et Production

Comment rebondir après la crise 2020 et créer des opportunités pour vos usines

Formation

Espace de travail et bien-être des salariés

Paris - 01 juin 2021

Services Généraux

Optimiser l’aménagement du bureau

LES SERVICES DE L'USINE NOUVELLE

ARTICLES LES PLUS LUS