L’inconvénient du dihydrogène (H2) est qu’il a une très faible densité énergétique par unité de volume. Le dihydrogène contient donc beaucoup d’énergie mais occupe un volume trop important pour être embarqué sur un véhicule à pression et température ambiante.
La densité du dihydrogène (H2) gazeux à la pression atmosphérique et à température ambiante n’est que de 0,0838 kg.m-3.
La densité du dihydrogène (H2) liquide à -252,87 °C est de 70 kg.m-3, il est 700 fois plus dense qu’à pression et température ambiante.
Cependant, liquéfier puis conserver à l’état liquide présente plusieurs inconvénients. La liquéfaction consomme de l’énergie, la conservation génère des pertes et sa durée est limitée.
La densité du dihydrogène (H2) gazeux à 700 bars est de 39,6 kg.m-3, à partir de 700 bars la densité augmente peu pour une pression beaucoup plus élevée, le gain est trop faible par rapport aux nécessités de résistance à la pression du réservoir.
Entre le stockage sous forme liquide à -252,87 °C ou bien solide sur des hydrures métalliques, c’est le stockage à haute pression dans des réservoirs en matériau composite qui est pour l’instant retenu.
Les pressions actuellement adoptées pour stocker du dihydrogène dans un réservoir sont de 350 bars ou, le plus souvent, de 700 bars.
Sur un véhicule léger un ou deux réservoirs, généralement à une pression de 700 bars permettent d’atteindre l’autonomie souhaitée. Pour un bus ou un camion, jusqu’à 10 réservoirs sont nécessaires.
© Mario
Roberto Durán Ortiz CC BY-SA
Réservoir de la Toyota Mirai. Les réservoirs haute pression
sont en matériau composite à base de fibre de carbone, ils sont conçus pour la
durée de vie du véhicule. Leur réutilisation pour des applications moins
contraignantes ou pour leur recyclage sont en cours d’étude.
Le réservoir de stockage est pour l’instant un des éléments les plus onéreux du système.
Les projections à l’horizon 2035 font apparaître un coût
moyen de 70 €/kW pour la pile à combustible, alors que celui du réservoir serait
environ de 450 €/kg de dihydrogène (H2) stocké.
À 700 bars on peut stocker 5 kg de dihydrogène (H2)
dans un réservoir de 125 litres, ce qui permet à une automobile de
parcourir environ 500 km.
Trois principales possibilités de stockage sont utilisées :
> le stockage gazeux sous pression à 350 ou à 700 bars.
> le stockage cryogénique sous forme liquide à -252,87 °C
à pression atmosphérique (le réchauffement engendre une élévation de la
pression qu’il faut évacuer au moyen d’une soupape de surpression ce qui crée
une perte quantitative).
> le stockage solide dans des matériaux absorbants, ce
stockage est fiable, d’un bon rendement et offre une bonne sécurité. Mais la
capacité est faible pour des applications embarquées.
© Bertel_Schmitt CC BY-SA
Le stockage à 700 bars est privilégié car la forme
liquide ne convient qu’à des applications spécifiques.
Le dihydrogène (H2) sous forme liquide, est conservé dans des réservoirs spéciaux à double isolation thermique, un niveau de vide est créé entre les deux parois.
L’isolation n’étant pas totale, l’apport de chaleur provoque
une légère ébullition du dihydrogène (H2) ce qui engendre
une élévation de la pression.
© Tiia Monto CC BY-SA
Le stockage cryogénique dans des réservoirs isolés peut être une solution afin d'augmenter l'autonomie des camions de transport routier ou des trains.
Un limiteur de pression permet une fuite de dihydrogène (H2) gazeux qui protège la cuve d’une élévation dangereuse de la pression. Ce processus engendre la perte d’une masse de 0,3 à 1% par jour.
Pour des installations fixes, il est possible d’envisager la
récupération de ce dihydrogène (H2) gazeux dans des
réservoirs sous pression.
© CC BY-SA
Une semi-remorque d’une masse totale de 40 tonnes peut
transporter 3,5 tonnes de dihydrogène (H2).
Le dihydrogène (H2) permet de stocker l’énergie verte des centrales qui produisent du courant qui ne peut pas être utilisé à flux tendu et qui serait autrement perdu ; solaire, éolien… ou simplement décarboné pour le nucléaire. Le dihydrogène (H2) pourrait être un substitut ou un complément efficace aux batteries.
Pour stocker 5 kg de dihydrogène (H2) à 700 bars, le réservoir pèse 95 kg et coûte environ 3000 €.
© ITM CC BY-SA
Une station-service 700 bars coûte entre 500 000 et 1 000 000
€.
Le dihydrogène (H2) fait partie différents processus de stockage de l’énergie
Le Power to X (P2X)
Le « Power to X » consiste à transformer, par
exemple de l’électricité, en vecteur énergétique susceptible d’être stocké en
période de faible demande lorsque le potentiel de production existe.
© Domaine public
Le stockage de l’énergie se justifie lorsqu’il y a de
l’ensoleillement et qu’il n’y a pas besoin de se chauffer, quand il y a du vent
la nuit et peu de consommation. L’énergie accumulée peut ensuite être
réinjectée dans le réseau en période de forte demande.
Le « Power to X » concerne toutes les énergies dont la production n’est pas obligatoirement en phase avec la consommation : dihydrogène (H2), batterie, cumulus thermique, accumulateur hydraulique : STEP station de transfert de l’énergie par pompage (barrage), air comprimé, énergie cinétique d’une masse en rotation, accumulateur hydrostatique…
Plusieurs procédés de stockage de l’énergie sont à l’étude ou bien déjà implantés dans notre quotidien.
Le « Power to Heat » (P2H)
Le « Power to Heat » transforme l’électricité en
puissance calorifique. C’est l’exemple du chauffe-eau qui consomme la nuit en
période de production excédentaire et accumule de l’eau chaude dans un
réservoir isolé pour la journée.
Le « Power to Gas » (P2G)
Le « Power to Gas » permet de transformer
l’électricité en gaz de synthèse soit du dihydrogène (H2), soit du
méthane par méthanation.
Le dihydrogène fabriqué, peut alimenter une pile à combustible ou bien produire du méthane de synthèse par réaction du dihydrogène (H2) avec du dioxyde de carbone (CO2).
Le méthane peut ensuite être injecté dans le réseau.
© CC BY-SA
Le stockage de dihydrogène (ici sous forme liquide) élaboré
par électrolyse à partir d’énergie verte excédentaire reste une solution
positive quelle que soit son utilisation.
Si l’on compare les carburants gazeux avec les carburants qui sont liquides à température et pression ambiante, il apparaît qu’à volume égal, on stocke beaucoup plus d’énergie lorsque l’on utilise un carburant fossile issu de la distillation du pétrole. Cette énergie détermine l’autonomie d’un véhicule.
Le gazole B7 (≈ 40 MJ/L) contient 48 MJ/kg d’énergie il génère ≈ 3,4 kg de CO2 par kg de gazole brûlé. (MJ > Mégajoule)
Le biodiesel B100 (≈ 34,5 MJ/L) contient ≈ 37,8 MJ/kg d’énergie et génère ≈ 2,85 kg de CO2 par kg de gazole brûlé.
L’huile de tournesol (≈ 33,2 MJ/L) contient ≈ 39,5 MJ/kg d’énergie et génère ≈ 2,8 kg de CO2 par kg d’huile brûlée.
L’essence E5 (≈ 33,4 MJ/L) contient ≈ 46,7 MJ/kg d’énergie et génère ≈ 3,3 kg de CO2 par kg d’essence brûlée.
Le gaz de pétole liquéfié LPG (Butane/propane) (≈ 25 MJ/L) contient ≈ 46 MJ/kg d’énergie et génère ≈ 3 kg de CO2 par kg de LPG brûlé.
Le gaz naturel liquéfié LNG (≈ 27 MJ/L) contient 44 MJ/kg d’énergie il génère ≈ 3 kg de CO2 par kg brûlé.
Le dihydrogène (H2) liquéfié (≈ 84 MJ/L) contient ≈ 120 MJ/kg d’énergie et génère 0 kg de CO2 par kg brûlé.
Pour l’instant les véhicules particuliers ne sont pas concernés par les gaz liquéfiés à basse température. En revanche, la liquéfaction peut présenter un intérêt pour tout ce qui concerne le transport de marchandises longues distances (par camion, par train ou par voies navigables).
On sait qu'à 700 bars on peut stocker 5 kg de dihydrogène (H2) dans un réservoir de 125 litres, ce qui permet à une automobile de parcourir environ 500 km. Par comparaison, à pression ambiante, il est possible de stocker 106 kg de gazole dans un réservoir de 125 litres, ce qui permet à une automobile de parcourir plus de 1 500 km.
Etant donné que l'on manque d’infrastructures dédiées au ravitaillement, et vu le coût d’un véhicule particulier, le dihydrogène (H2) serait, pour l'instant, plutôt à privilégier dans le domaine des transports en commun.
Compte tenu des progrès réalisés en matière de dépollution, du développement des carburants bio compatibles, les moteurs thermiques utilisés hors agglomération n’auront pas d’autre alternative que d’accompagner une indispensable transition énergétique.
