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Stockage d'hydrogène

La finalité des activités du groupe concerne l'étude et la réalisation de réservoirs à base d'hydrures et leur intégration dans une chaîne hydrogène complète, de sa production à sa conversion en une autre énergie. Pour cela, il faut maîtriser les phénomènes de thermique et de mécanique dans les réservoirs à base d'hydrures. Ce sont les compétences qui sont développées au Département des Technologies de l'Hydrogène, avec en finalité le développement d'un outil numérique de simulation du fonctionnement interne d'un réservoir à hydrures. Afin de tester les réservoirs prototypes conçus et réalisés au DTH, des bancs de test génériques ont aussi été développés. Enfin, la modélisation macroscopique au niveau système et intégration dans une chaîne à hydrogène fait aussi l'objet de développements.


Le stockage de l'hydrogène à basse pression dans des matériaux dits hydrures

Le stockage de l'hydrogène est un point très important dans le développement d'une chaîne à vecteur énergétique fondée sur l'hydrogène. Il est primordial de le stocker pour les applications transportables, et il est très intéressant de savoir le stocker pour des applications à énergie primaire intermittente.

Le stockage de l'hydrogène peut se faire sous forme gazeuse, à ce moment il est comprimé jusqu'à des pressions de 700 bars afin de rendre son volume acceptable, où alors il est liquéfié à (très basse) température autour d'une vingtaine de degrés Kelvin.

Pour diminuer le volume de stockage d'hydrogène, on peut aussi exploiter la capacité de certains matériaux très poreux de permettre l'accrochage en surface des atomes d'hydrogène. Ce phénomène dit d'adsorption n'est à ce jour significatif qu'à basse température (en dessous de la température de l'azote liquide) et fait encore essentiellement l'objet de recherche fondamentale. Le CEA contribue à cette recherche et s'investit également dans une autre filière de stockage dans des matériaux solides plus mature d'un point de vue technologique. Il s'agit d'exploiter la capacité de certains matériaux dits hydrures à absorber et désorber de l'hydrogène de manière réversible.
   Schéma de principe du stockage de l'hydrogène dans un matériau hydrure cristallin
Dans les hydrures métalliques (alliage de nickel, de titane, de magnésium) par exemple, les atomes du dihydrogène gazeux entrent dans le matériau et forment une nouvelle phase (fig. 1).

Un des objectifs du stockage est d'obtenir une forte densité volumique d'énergie. Dans le cas de l'hydrogène, il faut faire se rapprocher le plus possible les atomes d'hydrogène. Le stockage dans les hydrures est le moyen le plus efficace pour remplir cet objectif par rapport au stockage en pression et même au stockage liquide. Ceci se fait par contre au détriment du poids, puisque au bilan il faut ajouter le poids du matériau dans lequel l'hydrogène s'insère. Les matériaux hydrures se présentent sous forme de poudre, forme vers laquelle ils évoluent naturellement. Cela comporte deux avantages : d'une part cela permet à l'hydrogène d'accéder au matériau de manière uniforme et d'autre part, la porosité constitue un tampon qui permet d'encaisser le gonflement de matière lorsque l'hydrogène est absorbé.

La réaction d'absorption de l'hydrogène dans le matériau est exothermique (dégagement de chaleur). La réaction de désorption (libération de l'hydrogène) est quant à elle endothermique (apport de chaleur nécessaire). En général pour absorber de l'hydrogène à une température donnée, on injecte du gaz dihydrogène à une pression supérieure à la pression d'équilibre de formation de l'hydrure tout en évacuant la chaleur produite. La vitesse de remplissage d'un réservoir dépend de l'efficacité de l'échange thermique de refroidissement. Au contraire, pour libérer de l'hydrogène, on se place en dépression par rapport à la pression d'équilibre de la réaction tout en apportant de la chaleur.
   Cartes de température et taux d'hydrogénation obtenus par simulation numérique.
Ce principe de fonctionnement constitue un facteur de sécurité important, puisque l'hydrogène n'est libéré que s'il y a apport de chaleur. Un second facteur de sécurité est lié au fait que pour certains hydrures, les pressions de palier ne sont pas trop élevées pour des températures raisonnables (pour LaNi5, à 75°C, la pression d'équilibre se situe autour de quelques bars).
Des développements de structures de réservoirs à base d'hydrures et leur intégration dans une chaîne hydrogène, de la production - à partir d'énergies renouvelables par exemple - à la reconversion en énergie électrique, sont réalisés au CEA sur son site de Grenoble, au sein de son Laboratoire d'Innovation pour Technologies des Energies nouvelles et les Nanomatériaux (LITEN). A partir d'une architecture innovante développée par ce laboratoire, un prototype contenant 10 kg d'hydrure, formulé en partenariat avec le CNRS, a été fabriqué (capacité de 1290 litres d'hydrogène à la pression atmosphérique) avec le soutien financier du ministère de la recherche. Il a été vérifié que ses caractéristiques répondent bien au cahier des charges d'une application stationnaire de stockage de l'hydrogène produit par reformage du méthane dans une unité de production électrique. Actuellement, des matériaux prometteurs tels que les alanates sont étudiés afin de mieux connaître leurs propriétés d'absorption, de cyclabilité, ainsi que leurs propriétés thermiques et mécaniques au travers par exemple du projet européen HyTrain. Ces études permettent de concevoir des réservoirs plus efficaces thermiquement et dans lesquels le gonflement de l'hydrure pulvérulent sous l'action de l'hydrogène absorbée est maîtrisé.




Réalisations & Expertise

 Simulation 3D d'un réservoir à hydrures avec le logiciel Fluent. Prise en compte de l'exo-endo-thermicité de l'hydrure, de la conductivité thermique en phase poreuse et de la fluidique de l'échangeur de chaleur (fig. 5)

 Prototype PLUSPAC, stockage de l'hydrogène dans 10 kg de LaNi5. Conception de l'échangeur à plaque rainurée, ailettes et mousse d'aluminium (fig. 2)

 Module de test et de caractérisation thermo-mécanique de poudre en hydruration : COMEDHY. Mesure de dilatation de poudre à l'hydruration. Mesure de conductivité de poudre par méthode transitoire. Couplage des effets thermiques et mécaniques (fig. 6).


Equipements

 Thermorégulateur (puissance 20kW, caloporteur huile jusqu'à 300°C) pour la production des flux thermiques nécessaires à la gestion d'un réservoir hydrures (jusqu'à des capacité de 1 kg d'hydrogène)

 Banc de test de prototypes à basse pression (15 bars maximum) : DESHY (fig. 3)

 Banc de test de prototypes à moyenne pression (inférieure à 200 bars) : NEW DESHY

 Boite à gants pour manipulation des hydrures en atmosphère protectrice
   Cartes de température et taux d'hydrogénation obtenus par simulation numérique.

MAJ : septembre 2008
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