Stockage de l’hydrogène

Ce chapitre aborde le stockage sous forme de gaz comprimé et présente les fondamentaux concernant l’hydrogène et la mécanique d’une structure sous pression, avant de se focaliser sur les techniques les plus récentes de modélisation et de simulation et enfin d'aborder les procédés employés et les perspectives d’amélioration des réservoirs renforcés par matériaux composites.

Le stockage saisonnier de grands volumes (1 à 100 millions de m3) d’hydrogène dans certaines formations géologiques profondes telles que les cavités salines existe déjà, et des démonstrateurs sont en phase de test dans des aquifères profonds. Après avoir présenté les différents concepts de stockage géologique de l’hydrogène, nous détaillons les interactions eau-H2 (solubilité, tension interfaciale), roche-H2, (mouillabilité, pression capillaire, perméabilité relative, adsorption) et eau-roche-H2. La réactivité abiotique et microbienne de l’hydrogène dans le milieu géologique fait l’objet d’une attention particulière. Cette analyse approfondie nous permet d’identifier les défis scientifiques, économiques, et sociétaux restants à relever.

Le stockage d’hydrogène dans les liquides organiques (LOHC) est une option sûre, adaptée au stockage longue durée et au transport longue distance. Les molécules actuellement étudiées pour cette application sont recensées dans ce chapitre, selon 3 grandes familles, détaillant les catalyseurs et réactions permettant de réaliser le stockage par hydrogénation et la restitution d’hydrogène par déshydrogénation.

L’hydrogène vert, essentiel à la transition énergétique, pose des défis de stockage. Sa conversion en ammoniac représente une alternative aux méthodes cryogéniques ou sous haute pression. Cela nécessite de repenser le procédé Haber-Bosch en petites unités modulaires adaptées aux énergies renouvelables et fonctionnant en conditions modérées, avec le développement de nouveaux catalyseurs ou procédés innovants.

Les hydrures métalliques sont utilisés pour le stockage réversible de l’hydrogène dans les conditions ambiantes. Ce chapitre traite tout d’abord des alliages de type BCC, ainsi que des composés intermétalliques ABx (1 ≤ x ≤ 5), puis du Mg et de ses alliages. Les propriétés thermodynamiques de ces familles de matériaux peuvent être ajustées en variant leur composition chimique.

Ce chapitre présente une revue des concepts théoriques et des résultats expérimentaux sur les alliages à haute entropie pour le stockage d’hydrogène. Ce nouvel axe de recherche ouvre la voie à l’exploration d’un vaste champ compositionnel dans les diagrammes de phase multidimensionnels et laisse entrevoir des découvertes futures qui permettront l’utilisation de ces matériaux dans des applications concrètes de stockage de l’hydrogène.

Les hydrures régénérables, constitués d’éléments légers comme le lithium, le magnésium ou le bore, offrent une densité exceptionnelle et libèrent efficacement l’hydrogène sous conditions modérées. Cependant, leur déshydrogénation exothermique interdit un stockage réversible, et nécessite une régénération chimique. Malgré ces limites, ils demeurent prometteurs pour des avancées technologiques, un potentiel exploré dans ce chapitre.

Les matériaux poreux à surface spécifique élevée, comme les matériaux carbonés et les MOF, permettent un stockage efficace de l’hydrogène à basses températures et pressions modérées. Ce chapitre aborde les concepts fondamentaux, les méthodes de caractérisation et les performances des adsorbants, en soulignant les défis et perspectives liés à ces matériaux et aux technologies cryogéniques pour une énergie durable.