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L’hydrogène est le gaz le plus léger de tout l’Univers : un litre de ce gaz ne pèse que 90 mg à pression atmosphérique, il est donc environ 11 fois plus léger que l’air que nous respirons.
Il faut un volume d’environ 11 m3, c’est-à-dire le volume du coffre d’un grand utilitaire, pour seulement stocker 1 kg d’hydrogène, soit la quantité nécessaire pour parcourir 100 km. Il est donc indispensable d’augmenter sa densité et plusieurs techniques existent pour cela :
- le stockage à haute pression sous forme gazeuse
- le stockage à très basse température sous forme liquide
- le stockage à base d’hydrures sous forme solide
Pour un transport plus facile et plus efficace, l’hydrogène est stocké dans des réservoirs ou des bouteilles en matériaux composites. Les chercheurs d’Air Liquide travaillent notamment sur la tenue mécanique des matériaux composant ces bouteilles au cours du temps. Ils effectuent des tests de fatigue accélérée grâce à des cycles de remplissage et de perméabilité à très haute pression pour s’assurer de leur étanchéité parfaite. Toutes ces recherches vont poser les fondements scientifiques du comportement des matériaux et permettre de déterminer les critères de dimensionnement des réservoirs. Grâce à ces travaux de recherche, Air Liquide est un acteur décisif dans la définition des normes de sécurité qui devront être mises en place pour assurer une sécurité maximale pour l’utilisateur.
Autre axe de recherche du Groupe, le développement des technologies de contrôle des bouteilles durant leur utilisation. Cette étape est, elle aussi, indispensable pour la sécurité des utilisateurs et consiste à s’assurer de l’absence de défaut comme des microfissures. Pour cela, les chercheurs s’approprient des méthodes de contrôle non destructif comme par exemple l’émission acoustique permettant de détecter ce type d’anomalies.
Sous pression
La méthode la plus simple permettant de diminuer le volume d’un gaz, à température constante, est d’augmenter sa pression.
Ainsi, à 700 bar, l’hydrogène possède une masse volumique de 42 kg/m3 contre 0.090 kg/m3 à pression et température normales. À cette pression, on peut stocker 5 kg d’hydrogène dans un réservoir de 125 litres.
Aujourd’hui la majeure partie des constructeurs automobiles a retenu la solution du stockage sous forme gazeuse à haute pression. Cette technologie permet de stocker la quantité d’hydrogène nécessaire à une voiture alimentée par une pile à combustible pour parcourir de 500 à 600 km entre chaque plein.
Sous forme liquide
Une technique de pointe pour stocker un maximum d’hydrogène dans un volume restreint consiste à transformer de l’hydrogène gazeux en hydrogène liquide en le refroidissant à très basse température.
L’hydrogène se liquéfie lorsqu’on le refroidit à une température inférieure de -252,87°C.
Ainsi, à -252.87°C et à 1,013 bar, l’hydrogène liquide possède une masse volumique de près de 71 kg/m3. À cette pression, on peut stocker 5 kg d’hydrogène dans un réservoir de 75 litres.
Afin de pouvoir conserver l’hydrogène liquide à cette température, les réservoirs doivent être parfaitement isolés.
Le stockage de l’hydrogène sous forme liquide est pour l’instant réservé à certaines applications particulières de très hautes technologies comme la propulsion spatiale. Par exemple, les réservoirs de la fusée Ariane, conçus et fabriqués par Air Liquide, contiennent les 28 tonnes d’hydrogène liquide qui vont alimenter son moteur central. Ces réservoirs sont une véritable prouesse technologique : ils ne pèsent que 5,5 tonnes à vide et leur paroi ne dépasse pas 1,3 mm d’épaisseur.
Sous forme solide
Le stockage de l’hydrogène sous une forme solide, c’est-à-dire conservé au sein d’un autre matériau, est aussi une piste de recherche prometteuse.
Les méthodes de stockage de l’hydrogène sous forme solide sont des techniques mettant en jeu des mécanismes d’absorption ou d’adsorption de l’hydrogène par un matériau.
Un exemple est la formation d’hydrures métalliques solides par réaction de l’hydrogène avec certains alliages métalliques. Cette absorption résulte de la combinaison chimique réversible de l’hydrogène avec les atomes composant ces matériaux. Les matériaux parmi les plus prometteurs sont les composés à base de magnésium et les alanates.
Seulement une faible masse d’hydrogène peut être stockée dans ces matériaux, c’est pour l’instant l’inconvénient de cette technologie. En effet, les meilleurs matériaux permettent à ce jour d’obtenir un rapport poids d’hydrogène au poids total du réservoir ne dépassant pas 2 à 3%.
Avant d’envisager des applications à grande échelle, il faut aussi maîtriser certains paramètres comme la cinétique, la température et la pression des cycles de charge et décharge de l’hydrogène dans ces matériaux.
