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TECHNIQUES DE STOCKAGE DE L’HYDROGÈNE Présenté par : HOCINI Meriem et SACI Sarr

TECHNIQUES DE STOCKAGE DE L’HYDROGÈNE Présenté par : HOCINI Meriem et SACI Sarra PLAN  Chapitre I : Généralités sur l’hydrogène  Chapitre II : Différents modes de stockage d’hydrogène Chapitre I : Généralités sur l’hydrogène Introduction : De l’Antiquité au siècle des lumières, à la suite d’Aristote, tous les savants ont été convaincus que l’univers était constitué de quatre éléments: l’eau, la terre, l’air et le feu. Après une vingtaine de siècles, des doutes s’insinuent; ainsi au XVIème, le philosophe et médecin suisse Paracelse (1493 – 1541), qui était aussi alchimiste et physicien, se demande si "l'air" qui se dégage lors de la réaction du vitriol sur le fer est bien identique à l'air que nous respirons. Robert Boyle (1627 – 1691) isole cet "air" au siècle suivant, puis Henry Cavendish (1731 – 1810), physicien et chimiste britannique, reprend les travaux de Paracelse avec différents métaux. En 1766, il recueille d'importantes quantités de gaz dans des vessies de porc et montre que ce gaz, "l'air inflammable", brûle dans l'atmosphère en produisant de l'eau. Puis, les expériences d’Antoine Laurent de Lavoisier (1743 – 1794), assisté de Pierre Simon et Jean Baptiste Meusnier de La Place, fondent la chimie moderne et donnent une interprétation des résultats précédents grâce à la synthèse de l'eau effectuée le 24 juin 1783 en présence de Sir Charles Bogden, Secrétaire de la Royal Society. Cela lui permit d'écrire, dès le lendemain, à l'Académie des Sciences française, après la description de l'expérience : "nous ne balançâmes pas à en conclure que l'eau n'est pas une substance simple et qu'elle est composée, poids pour poids, d'air inflammable et d'air vital". Cet air inflammable qui, avec l’oxygène, l’air vital, composait l’eau, est l’hydrogène, nom signifiant : « qui produit de l’eau » [14-16], du grec "hydro"(eau) et "gène" (producteur, créateur) [17]. Définition et catégories Elément chimique le plus abondant dans l’univers, l’hydrogène (H) est classé en première place du tableau de Mendeleïev. Il s’agit de l’atome le plus simple et le plus léger : il est constitué d’un noyau contenant un proton et d’un électron périphérique. La molécule H2 de dihydrogène, constituée de deux atomes d’hydrogène, est aussi communément appelée « hydrogène » (nous emploierons cette terminologie dans la fiche). C’est cette molécule H2 qui fait l’objet d’une exploitation chimique et suscite un fort intérêt énergétique, tant par ses possibilités d’usage que de stockage. Vecteur énergétique d’avenir et substitut possible aux hydrocarbures, elle présente plusieurs avantages conséquents : • sa combustion génère une forte quantité d’énergie (environ 3 fois plus que l’essence à poids constant(1)) • elle n’existe pas à l’état naturel mais est très abondante sur Terre sous forme atomique (eau, hydrocarbures, etc.) • sa combustion est non carbonée (pas d’émission de CO2 lorsqu’il est issu de sources renouvelables) • elle est stockable et peut constituer un moyen efficace de stockage de l’électricité sur des durées longues. Définition et catégories La combustion de l'hydrogène génère environ 3 fois plus d'énergie que l’essence à poids constant. Cependant, l’hydrogène énergie (ou vecteur hydrogène) se heurte encore à plusieurs limites : • le stockage de l’hydrogène nécessite des quantités d’énergie importantes en raison de sa faible densité (il peut être stocké sous forme comprimée, liquide ou encore d’hydrure métallique) • l’efficacité de son transport (énergie transportée par unité de volume) est beaucoup moins forte que celle du pétrole ou du gaz en raison de cette faible densité. • des risques d’inflammabilité et de détonation avec l’air existent (bien que moindres que pour le gaz naturel) • le coût du procédé de production d’hydrogène le plus prometteur, l’électrolyse de l’eau, reste élevé • son utilisation grand public dans les transports nécessite la mise en place d’un réseau de stations à hydrogène (de type stations services) qui requiert des investissements considérables. L’hydrogène énergie est prometteur à plus d’un titre. Néanmoins, son exploitation à l’échelle industrielle en est à ses balbutiements. Propriétés de l’hydrogène L'hydrogène est l'élément chimique le plus simple; son isotope le plus commun est constitué seulement d'un proton et d'un électron. L'hydrogène est ainsi le plus léger atome existant. Comme il ne possède qu'un électron, il ne peut former qu'une liaison covalente: c'est un atome univalent. Les propriétés physico-chimiques de l’hydrogène sont données dans le tableau I.1. L’élément hydrogène est extrêmement abondant sur Terre, dans l’eau des lacs, des rivières et des océans ainsi que dans les combustibles fossiles; c’est le constituant essentiel de notre univers mais il n’existe pas à l’état libre. Le dihydrogène est la forme moléculaire de l'élément hydrogène, qui existe à l'état gazeux aux conditions normales de température et de pression. Les molécules comportent deux atomes d'hydrogène, sa formule chimique est H2. Il est également appelé « molécule d'hydrogène » ou « gaz hydrogène » et, dans le langage courant, lorsqu'il n'y a pas d'ambiguïté avec l'élément chimique du même nom, il est très fréquemment désigné par «hydrogène ». Le dihydrogène est un gaz incolore, inodore et non corrosif, et présente l’avantage d’être très énergétique Désignation Caractéristiques Nom, symbole, numéro Hydrogène, H, 1 Série chimique Non-métaux Groupe, période, bloc 1, 1, s Masse volumique 0.08988 g/l (gaz, pression atmosphérique et 25 °C) 0.0708 g/ml (liquide, -253 °C) 0.0706 g/ml (solide, -262 °C) Masse atomique 1.0079 ± 0.00007 u Rayon atomique 0.259 Å Configuration électronique 1s1 Tableau I.1: Propriétés physico-chimiques de l’hydrogène. Chapitre II : Différents modes de stockage d’hydrogène Stockage d’hydrogène Le stockage d’hydrogène est certainement un verrou technique et scientifique pour le développement de la technologie de l’hydrogène [22]. L’hydrogène est un gaz extrêmement léger qui occupe un volume important dans les conditions de pression standard, c’est à dire à la pression atmosphérique. Pour le stocker et le transporter efficacement, il faut fortement réduire ce volume. Le dihydrogène ne peut jouer son rôle de vecteur d’énergie que si l’on peut le stocker. efficacement, pour un coût limité et dans des conditions de sécurité acceptables. Le risque de fuite de dihydrogène doit être pris en considération, compte tenu du caractère inflammable et explosif de ce gaz dans certaines conditions. Or, en raison de la petite taille de sa molécule, il est capable de traverser de nombreux matériaux, y compris certains métaux. De plus, il en fragilise certains en les rendant cassants. Différents modes de stockage doivent être envisagés selon l’utilisation qui en sera faite : industrielle, domestique, mobile ou nomade. L’hydrogène peut être stocké sous forme liquide à basse température, gazeuse sous pression ou solide. Stockage sous forme liquide à basse pression C’est le moins coûteux et le plus abouti des procédés (par kWh) pour stocker de grosses quantités de dihydrogène. Les réservoirs actuels conditionnent le dihydrogène à - 253 °C sous 10 bars. Pour les applications transport, des réservoirs ont été mis au point, permettant le stockage de 12 kg de H2 pour les petits réservoirs des voitures (l’hydrogène liquide possède une masse volumique de 70,973 kg/m3). Cette solution, encore réservée aux lanceurs spatiaux pourrait à l'avenir concerner des véhicules terrestres. Le principal inconvénient de ce procédé est l’impossibilité d’éviter les fuites: même très bien isolés, les réservoirs absorbent de la chaleur qui vaporise lentement le liquide. Il faut alors laisser s’échapper le gaz obtenu pour éviter que la pression n’augmente trop. Néanmoins, aux difficultés techniques s’ajoutent le coût des réservoirs cryogéniques aptes à contenir l'hydrogène liquide pendant des longues périodes de temps, ainsi que le coût de l'énergie consommée pour réaliser la liquéfaction. Le stockage en milieu confiné, comme dans les parkings, est ainsi rendu problématique. Stockage gazeux sous basse pression Lorsqu’il n’est pas nécessaire de réduire le volume de stockage (comme dans une maison disposant d’un vaste sous-sol), on peut envisager celui-ci sous forme gazeuse à une pression relativement basse (75 bars). Dans ce cas, la réserve de dihydrogène est régulièrement reconstituée par un dispositif de production in situ (électrolyse) alimenté par une source d’énergie renouvelable. Ce moyen de stockage est peu coûteux et parfaitement maîtrisé. Stockage gazeux sous haute pression Afin d’atteindre une densité d’énergie satisfaisante tout en évitant les inconvénients liés aux très basses températures nécessaires au stockage à l’état liquide, on cherche à développer le stockage à l’état gazeux sous haute pression (700 bars). A cette pression l’hydrogène possède une masse volumique de 42 kg/m3, soit un gain d’un facteur 500 environ par rapport à sa densité à pression et température ambiantes. A ce niveau de compression, 4.6 litres de dihydrogène comprimé sont encore nécessaires pour produire autant d’énergie qu’avec 1 litre d’essence). La recherche actuelle porte sur des réservoirs qui allient l’imperméabilité aux molécules de dihydrogène à la résistance aux hautes pressions et aux chocs. La partie interne du réservoir (le liner), assurant le confinement du dihydrogène, est réalisée en polymère selon un procédé innovant de synthèse et transformation simultanées. La coque composite externe assure quant à elle la résistance et la protection mécaniques. Elle est constituée par enroulement filamentaire et utilise des matériaux issus de l’aéronautique comme les fibres de carbone haute résistance. Stockage solide Le stockage de l’hydrogène sous forme solide dans des conditions de température et de uploads/Histoire/ expose-stockage.pdf