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​Stockage de l’hydrogène par hydrures : une alternative plus sûre et performante dans la chaîne de l’hydrogène

Stockage de l'hydrogène

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Publié le 21 novembre 2016

Le stockage de l‘hydrogène est l’un des points clés de fonctionnement de la chaîne hydrogène complète, de sa production à sa conversion en une autre énergie, pour des équipements mobiles ou stationnaires. Depuis 2008, le CEA Liten étudie la réalisation de réservoirs à base d’hydrures ainsi que leur intégration dans la chaîne hydrogène. L’objectif est la mise au point de technologies permettant un stockage de l’hydrogène à haut rendement, moins énergivore et plus sûr que le stockage à haute pression, adapté à tout type d’usages industriels, stationnaires ou mobiles.


Les équipes du Liten développent une expertise de renommée internationale dans ce domaine en s’intéressant à tous les stades du procédé : recherche sur les matériaux hydrures, fabrication de ces matériaux, conception et réalisation de prototypage de réservoirs, tests de ces réservoirs pour les intégrer au fonctionnement des piles à combustible ou des électrolyseurs.

Un des objectifs de l’équipe est de mettre au point des réservoirs à hydrures de grandes capacités, capables de concurrencer le stockage par pression à 700 bars en atteignant une densité volumétrique d’énergie identique, voire supérieure, mais à des pressions bien moindres. Cette approche innovante se fonde sur la capacité des matériaux hydrures à absorber et à désorber de l’hydrogène de manière réversible. Le Liten mène ses recherches sur des matériaux performants fonctionnant à des températures proches de l'ambiante, plus précisément de – 20 à + 80 °C et à une pression inférieure à 30 bars. Il oriente en outre ses travaux sur la mise au point de réservoirs intégrant les hydrures (enveloppe de confinement hydrogène, échangeur de chaleur) en minimisant l'impact négatif sur la capacité massique et volumique du réservoir et afin de préserver les performances intrinsèques du matériau. Pour cela, l'équipe développe des compétences en thermomécanique et modélisation mécanique des matériaux granulaires.

Le Liten poursuit trois axes majeurs pour transférer cette technologie dans le monde industriel. Il continue ses recherches sur l’intégration des matériaux hydrures, il étudie et développe de nouveaux matériaux hydrures permettant d’obtenir un système final plus léger, et donc adapté à un large éventail d’applications. Enfin, il se diversifie sur d’autres applications, dans le domaine de la gestion thermique par exemple.

AVANTAGES

Des solutions pour une plus large diffusion des technologies hydrogène dans le monde industriel

  • Le stockage basse température et basse pression est plus sûr et moins complexe à mettre en œuvre que le stockage à haute pression. Il est aussi plus favorable énergétiquement puisqu'il faut moins, voire pas du tout comprimer l'hydrogène pour le stocker.
  • Le stockage est compact, donc adapté à des usages industriels plus larges, stationnaires ou mobiles.
  • Le stockage basse température est couplable à une pile PEM, sans coût énergétique supplémentaire, donc facilement intégré à la chaîne hydrogène.

PROJETS

  • ​Le Liten est en lien direct avec de nombreux industriels. Il est ainsi intervenu dans l’aide à l’élaboration et au test des produits mis au point par la société McPhy, qui commercialise une solution à base d’hydrures de magnésium.
  • Il s’intéresse de près à des applications de niche où le poids du système ne constitue pas un frein, telles que les machines agricoles, maritimes, les chariots élévateurs, etc. qui ont besoin d’être lestés. Il a ainsi élaboré deux prototypes pour des tracteurs agricoles. Dans le premier cas, les poudres d’hydrures sont insérées sous forme de blocs afin de faciliter le montage du prototype et de réduire la sensibilité à l’air. Les blocs se désagrègent en poudre dans le réservoir sous l’effet de l’hydrogène. Un deuxième prototype de taille supérieure (dans lequel les poudres sont directement insérées), stockant 2kg d'hydrogène, a également donné de bons résultats. Il a entre autres permis de démontrer que le coût énergétique du déstockage du réservoir d’hydrures est nul lors du couplage avec une pile à combustible, la chaleur perdue par la pile (70 °C) étant suffisante pour désorber l’hydrure.
  • Il participe au projet d’infrastructures H2FC, qui regroupe des instituts universitaires européens mettant à disposition leurs équipements pour la manipulation et la caractérisation des matériaux. Il intervient dans la caractérisation de la respiration (gonflement/dégonflement) des hydrures.

Le Liten a aussi coordonné deux projets financés par l'Agence Nationale de la Recherche : le projet MODERNHY-T qui a permis de mieux connaître le comportement thermomécanique des hydrures, et le projet STHYME, qui portait sur l'étude de l'influence de l'humidité contenu dans l'hydrogène produit par électrolyse sur le comportement du stockage de l'hydrogène.

Le  Liten s’appuie sur plusieurs plateformes pour mener à bien ses travaux de recherche: 

  • ​La plate-forme Senepy à Grenoble (production H2 = 0.5 Nm3/h), pour la démonstration de la faisabilité technique de solutions hybrides H2-batteries LFP, dont la gestion énergétique est optimale et simplifiée,
  • La plate-forme Z193 à Grenoble (production H2 = 5 Nm3/h), pour l’évaluation de composants de taille représentative, de stratégies de gestion optimisées sur un plan technico-économique,
  • La plate-forme Prohytec à Cadarache (production H2 = 20Nm3/h), permettant le couplage à une source d’énergie renouvelable,
  • La plate-forme Myrte en Corse, premier démonstrateur mondial associant un système hydrogène à une chaîne électrique photovoltaïque couplée au réseau électrique insulaire.

REPERES
  • Un dizaine de chercheurs
  • ​15 brevets
  • Publications :
B. Salque, A. Chaise, V. Iosub, O. Gillia, B. Charlas, C. Dupuis, L. Guenoux, « Measure of the hydride breathing while cyclically absorbing and desorbing hydrogen », Journal of Alloy and Compounds, doi:10.1016/j.jallcom.2014.12.112
B. Charlas, F. Kneib, O. Gillia, D. Imbault, P. Doremus, « A tool for modelling the breathing of a hydride powder in its container while cyclically absorbing and desorbing hydrogen », International Journal of Hydrogen Energy, Volume 40, Issue 5, 9 February 2015, Pages 2283-2294
Benoit Charlas, Albin Chaise Olivier Gillia Pierre Doremus, Didier Imbault, « Investigation of hydride powder bed swelling and shrinking during hydrogen absorption/desorption cycles under different compressive stresses », Journal of Alloys and Compounds, Volume 580, Issue SUPPL1, 2013, Pages S149-S152
F. Nony, L. Briottet, O. Gillia, F. Lefebvre-Joud, « Matériaux de la filière hydrogène - Stockage et transport », Techniques de l'Ingénieur, Référence N1206, Date de publication : 10 avril 2010


Pour en savoir plus

  Pour en savoir plus sur 2 installations Liten dédiées à l'étude du comportement des hydrures, cliquez ici.


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