Compresseur d’hydrogène à hydrure métallique : compression

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Les efforts visant à trouver les moyens les plus efficaces et les plus durables de stocker l’hydrogène ont conduit à l’utilisation de compresseurs. Parmi les solutions étudiées figure la compression de l’hydrogène gazeux par hydrure métallique, également appelée compression de l’hydrogène par hydrure métallique. En tirant parti des propriétés des hydrures métalliques, cette technologie simplifie non seulement l’augmentation de la pression des matériaux, mais améliore aussi considérablement leur sécurité, l’efficacité de leur utilisation et l’éventail de leurs applications. Cette introduction porte sur l’importance de prendre en compte les systèmes d’infrastructure pour l’hydrogène gazeux fondés sur ces technologies récentes, ainsi que le fonctionnement, les avantages et les applications spécifiques de ces compresseurs par rapport aux compresseurs classiques. Scientifiques, ingénieurs et passionnés d’énergie, examinons de près leur utilisation et la manière dont la structuration de l’hydrure métallique dans le système de compression de l’hydrogène explique pourquoi son adoption devrait aller de soi dans le cadre des efforts actuels d’amélioration environnementale.

Section 01

Comprendre les hydrures métalliques

Les hydrures métalliques sont des composés particuliers formés par l’association d’hydrogène et de métaux. Ils sont très prisés pour le stockage de l’hydrogène, car ils sont sensibles à la température et à la pression et se présentent sous forme solide. Beaucoup de ces matériaux attirent l’hydrogène gazeux dans leur structure, puis le retiennent. Ils sont particulièrement utiles pour la distribution d’hydrogène gazeux, notamment parce qu’ils réduisent l’énergie nécessaire à sa compression. Parmi les plus connus figurent les alliages métalliques tels que les hydrures de titane-fer et ceux à base de magnésium, qui interagissent bien avec l’hydrogène grâce à leur résistance et à leur durabilité dans les systèmes à hydrogène.

Que sont les hydrures métalliques ?

Ces dernières années, les hydrures métalliques sont devenus essentiels à de nombreuses technologies de pointe, car ils absorbent, stockent et libèrent l’hydrogène avec une grande efficacité. Ils sont surtout utilisés dans le secteur des énergies renouvelables, où l’hydrogène sert souvent de vecteur énergétique respectueux de l’environnement. Pour le stockage de l’énergie sous forme d’hydrogène, les hydrures métalliques sont employés dans les piles à combustible afin de stocker l’hydrogène en toute sécurité et d’assurer une production d’énergie continue et fiable. Ils servent également à construire des unités de stockage thermique qui utilisent l’hydrogène comme vecteur d’énergie stocké dans les hydrures métalliques.

Le transport offre une autre perspective sur l’utilisation des hydrures. Ce domaine fait l’objet de nombreuses recherches sur les hydrures métalliques destinés aux véhicules à hydrogène, dont la conception est plus compacte et le poids inférieur à ceux des solutions à haute pression. La recherche de cavités de stockage plus volumineuses et l’élimination des températures de fonctionnement maximales admissibles favorisent la mise au point de composés chimiques spécialisés, notamment des hydrures de magnésium et des hydrures complexes thermosensibles contenant des alanates.

Propriétés des hydrures métalliques

Les hydrures métalliques présentent des propriétés remarquables qui les rendent particulièrement importants pour le stockage de l’hydrogène, les batteries et les systèmes thermiques. La plus notable est leur capacité à absorber et à libérer l’hydrogène de façon réversible, dans une plage de fonctionnement donnée. Cette propriété dépend avant tout des caractéristiques thermodynamiques et cinétiques du matériau. Par exemple, la relation entre la vitesse d’absorption et de désorption de l’hydrogène et la pression, en fonction des variations de température, est décrite par l’équation de Van’t Hoff. Les hydrures à basse température, tels que LaNi₅ et les alliages de titane, absorbent et restituent efficacement l’hydrogène dans des conditions ambiantes raisonnables, notamment à la pression atmosphérique.

Du point de vue cinétique, la taille des particules, l’état de surface des sites de piégeage, la composition de l’alliage et la pureté des réactifs peuvent influer directement sur la vitesse d’hydrogénation et de déshydrogénation. Par exemple, les hydrures nanostructurés ou catalysés, comme ceux au palladium, présentent des vitesses de réaction bien supérieures. La capacité de stockage de l’hydrogène varie également selon les matériaux et s’exprime en pourcentage massique (wt%) ; dans les conditions les plus favorables, certains hydrures métalliques dépassent même 5 wt%.

Applications des hydrures métalliques dans l’énergie hydrogène

01
Systèmes de stockage de l’hydrogène
Grâce à leur forte teneur en hydrogène absorbé, les hydrures métalliques sont largement utilisés dans les piles à combustible pour la production d’énergie. Ils peuvent être cyclés en faisant varier la température et la pression selon les conditions de fonctionnement, ce qui les rend pratiques pour les utilisateurs. Par exemple, les hydrures de magnésium (MgH₂) peuvent atteindre une capacité théorique de stockage de l’hydrogène très élevée, jusqu’à 7,6 wt%, ce qui est prometteur pour le stockage d’énergie à long terme.
02
Technologies des piles à combustible
Dans les piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEM), les hydrures métalliques servent de sources d’hydrogène et en fournissent à la demande, tout en régulant le débit nécessaire. Les hydrures d’alliages plus récents, comme le titane-fer (TiFe), répondent bien aux exigences des véhicules hybrides à pile à combustible, notamment grâce à leur température de fonctionnement intermédiaire et à d’autres propriétés.
03
Stockage de l’énergie thermique
Certains hydrures métalliques, en particulier l’hydrure d’aluminium et de sodium (NaAlH₄), subissent des transformations exothermiques et endothermiques lors de l’absorption et de la désorption de l’hydrogène, ce qui les rend adaptés aux réservoirs énergétiques. Ces transformations endothermiques peuvent servir à accumuler ou à transférer de la chaleur dans les installations industrielles, où la maîtrise de l’équilibre thermique est essentielle.
04
Compression de l’hydrogène
La technologie de compression de l’hydrogène par hydrures métalliques repose sur un cycle d’absorption et de désorption à différentes températures et pressions. LaNi₅ et ses alliages servent à faire passer l’hydrogène gazeux d’une basse pression à une haute pression. Ils réduisent ainsi la consommation d’énergie par rapport aux compresseurs mécaniques traditionnels.
05
Séparation et purification de l’hydrogène
Au-delà de l’amélioration des systèmes de stockage de l’hydrogène, les hydrures métalliques sont utilisés dans les systèmes de purification de l’hydrogène. Avec des hydrures dopés au palladium, seule une partie de l’hydrogène présent dans les mélanges gazeux peut être absorbée. Cette méthode permet d’obtenir de l’hydrogène de haute pureté pour des usages spécialisés, comme les semi-conducteurs ou les analyseurs de laboratoire.
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Stockage d’énergie à l’échelle du réseau
L’utilisation des hydrures métalliques dans les systèmes de production d’énergie renouvelable à grande échelle est une option économiquement viable. Des matériaux tels que les alanates (par exemple, NaAlH₄) et les borohydrures (par exemple, LiBH₄) sont étudiés pour évaluer la faisabilité du stockage d’hydrogène à l’échelle du réseau. Cette solution contribue à équilibrer l’énergie et à atténuer les pics et les creux de consommation.

Section 02

Introduction aux compresseurs d’hydrogène à hydrure métallique

Les hydrures métalliques peuvent absorber et désorber l’hydrogène dans des conditions contrôlées de pression et de température. Cette propriété est utilisée dans la conception de compresseurs d’hydrogène qui font passer le matériau d’un état pauvre en hydrogène à un état riche en hydrogène afin de comprimer efficacement le gaz. Le système accomplit cette tâche sans pièces mécaniques mobiles. Grâce à leurs avantages structurels, les hydrures métalliques peuvent être saturés pour comprimer l’hydrogène, puis appauvris pour le libérer sous forme gazeuse. Une meilleure efficacité énergétique, des besoins de maintenance réduits et une fiabilité accrue comptent parmi les avantages qui font de cette technologie une solution de compression de l’hydrogène pour les systèmes de production, de stockage et de distribution.

Qu’est-ce qu’un compresseur d’hydrogène à hydrure métallique ?

Le compresseur d’hydrogène utilisant des hydrures métalliques est également appelé compresseur d’hydrogène à hydrure métallique (MHHC). Son principe repose sur l’absorption et la libération réversibles du gaz par un matériau. Cette technologie utilise notamment des hydrures métalliques spécialisés, des substrats métalliques qui absorbent l’hydrogène à basse pression et le libèrent à haute température. Le principe de fonctionnement est le suivant : l’hydrogène est introduit dans l’équipement et se lie chimiquement à l’hydrure pour former un composé. Lorsque l’hydrure est chauffé, l’hydrogène lié chimiquement au métal est libéré et refoulé à haute pression. La compression s’effectue ainsi sans dispositifs mécaniques classiques.

Les compresseurs à hydrure métallique sont particulièrement utiles dans les domaines où la fiabilité et l’efficacité énergétique sont primordiales. Ils permettent de limiter la pollution sonore dans les parcs et les autres lieux d’application, car le bruit provient d’un cycle thermodynamique plutôt que d’un système de compression mécanique. Les technologies modernes font également appel à des matériaux de pointe, notamment à de nouveaux alliages métalliques, pour optimiser les capacités, refroidir ou chauffer le réservoir et maintenir une pression sûre lors du remplissage en hydrogène, jusqu’à des pressions extrêmes de 1 000 bars. Ces compresseurs conviennent donc aux secteurs liés à l’hydrogène : ils favorisent le développement de l’utilisation de l’énergie hydrogène, particulièrement appréciée dans le contexte actuel de disponibilité des sources d’énergie non renouvelables.

L’importance de la compression de l’hydrogène

La compression de l’hydrogène est essentielle à son stockage, à son transport et à son utilisation avec différents équipements de production d’énergie. Bien que l’hydrogène présente des caractéristiques numériques intéressantes, son volume est important ; la compression est donc nécessaire pour obtenir un stockage compact à forte densité énergétique, aussi bien dans les systèmes fixes que mobiles. Les compresseurs d’hydrogène à haute pression sont indispensables aux systèmes avancés de piles à combustible, qui nécessitent une pression de carburant précise et répétable pour fonctionner selon les paramètres prévus. Par exemple, les compresseurs industriels peuvent supporter des pressions supérieures à 700 bar, ce qui permet d’utiliser des réservoirs haute pression dans les véhicules à hydrogène et les réseaux de canalisations.

La transition mondiale vers les énergies renouvelables nécessite d’optimiser la production et l’utilisation d’hydrogène propre. Ces solutions logicielles sont ainsi devenues possibles sur le marché des gaz purs. Des machines telles que les compresseurs modernes à membrane et à pistons réduisent au minimum la contamination du gaz et permettent une utilisation plus efficace de l’hydrogène comme carburant dans les transports, la production d’énergie et l’industrie. L’augmentation des capacités de compression de l’hydrogène contribuerait aux initiatives de décarbonation de l’industrie et faciliterait l’intégration de l’hydrogène dans les systèmes énergétiques actuels et futurs.

Comparaison des compresseurs d’hydrogène à hydrure métallique avec d’autres compresseurs

Paramètre	À hydrure métallique	À pistons	Centrifuge	À membrane
Mécanisme de compression	Absorption et désorption dans les hydrures	Compression mécanique par piston	Force centrifuge des roues à aubes	Membrane flexible pour la compression
Rendement	Élevé dans des plages de pression spécifiques	Rendement modéré	Rendement élevé à débits élevés	Rendement modéré à élevé
Contamination du gaz	Contamination pratiquement nulle	Contamination minimale	Risque de contamination	Contamination extrêmement faible
Maintenance	Faible grâce au nombre réduit de pièces mobiles	Moyenne ; entretien périodique nécessaire	Élevée en raison de composants internes complexes	Faible ; maintenance simple nécessaire
Durabilité	Longue durée de vie pour les applications liées à l’hydrogène	Bonne durabilité, usure régulière des pièces	Bonne, mais affectée par les vibrations	Excellente, avec une usure mécanique réduite
Pression de fonctionnement	Adapté aux applications à pression modérée	Large plage de pression	Particulièrement adapté aux basses pressions	Convient aux applications à haute pression
Consommation d’énergie	Consommation d’énergie modérée	Consommation d’énergie élevée	Consommation d’énergie plus faible à vitesse constante	Consommation d’énergie modérée
Coût	Coût initial élevé, faibles coûts d’exploitation	Coût initial modéré, coûts plus élevés à long terme	Coût initial élevé, variable au fil du temps	Coût initial élevé, économique à long terme
Évolutivité	Adapté aux systèmes spécifiques de petite taille	Adaptable à différentes capacités	Idéal pour les applications à grande échelle	Évolutivité limitée
Sécurité	Stable, avec un faible risque de défaillance mécanique	Risque de fuite ou de surchauffe	Risques modérés à grande vitesse	Très sûr, fonctionnement robuste

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Section 03

Science de la compression de l’hydrogène par hydrure métallique

La compression de l’hydrogène par hydrure métallique repose sur une propriété assez rare de certains métaux et de plusieurs de leurs alliages : ils peuvent absorber l’hydrogène gazeux dans des conditions précises, puis le désorber. Le métal se sature en hydrogène à une température et une pression données. Il s’hydrure alors et l’hydrogène s’intègre à sa structure. Avec un apport de chaleur, l’hydrogène stocké est désorbé à une pression légèrement supérieure à celle nécessaire à son absorption.

Cette technologie est conçue pour favoriser la sécurité : elle fonctionne à basse température et à basse pression, sans mouvement critique dans l’appareil. Les températures et pressions élevées n’entraînent pas non plus de dommages irréversibles et la technologie peut être utilisée de façon répétée. Le réajustement de pression dans les applications exigeant une grande précision génère très peu d’émissions. Ces compresseurs peuvent également servir au stockage de l’hydrogène et aux technologies des piles à combustible.

Mécanisme d’absorption et de désorption de l’hydrogène

Lorsque l’hydrogène gazeux entre en contact avec un matériau à hydrure métallique, l’absorption commence : la liaison initialement faible de la molécule diatomique d’hydrogène (H2) se rompt à la surface du métal pour former de l’hydrogène atomique (H). Cette dissociation a généralement lieu sur des sites catalytiques à la surface du matériau, qui réduisent l’énergie d’activation nécessaire à la dissociation du dihydrogène. L’hydrogène atomique diffuse alors dans les sites interstitiels du réseau métallique hôte et s’y combine pour former un complexe métal-hydrure stable. Toutefois, l’absorption dégage de la chaleur, qu’il faut maîtriser pour permettre une absorption efficace de l’hydrogène.

À l’inverse, la désorption désigne le retour des atomes d’hydrogène à l’état gazeux depuis l’hydrure métallique. La chaleur est généralement utilisée pour fournir l’énergie nécessaire à ce processus endothermique, tandis qu’une mise sous vide facilite l’évacuation de l’hydrogène. L’équilibre entre absorption et désorption dépend de plusieurs facteurs, tels que la température, la pression et les propriétés thermodynamiques des hydrures métalliques utilisés. Aujourd’hui, des systèmes améliorés faisant appel à des alliages d’aluminium activés et à des nanomatériaux jouent un rôle important dans le développement de technologies efficaces de production et de stockage de l’hydrogène.

Rôle des alliages dans les compresseurs à hydrure métallique

Les alliages sont essentiels à l’optimisation des performances et du rendement des compresseurs à hydrure métallique, car ils influent considérablement sur l’absorption et la désorption de l’hydrogène. Par exemple, diverses familles d’alliages, comme LaNi₅, TiFe et les composés à base de magnésium, présentent des propriétés thermodynamiques qui déterminent leur compatibilité avec certains équipements. Les alliages à base de LaNi₅ sont généralement utilisés à des pressions et à des températures modérées, où des cycles efficaces d’absorption et de désorption peuvent être réalisés. Les alliages à base de magnésium permettent quant à eux de stocker davantage d’hydrogène sans haute pression, mais nécessitent des températures élevées pour le stockage ; ils conviennent donc aux applications qui exigent une capacité ou une température élevée.

Les études actuelles portent sur la modification des alliages afin d’améliorer la vitesse de réaction et la durée de vie des poudres. De nouvelles avancées se profilent, notamment dans le domaine des nanostructures, où les réactions de surface sont catalysées par des matériaux revêtus de métal ou par des particules finement broyées de palladium ou de titane. Le remplacement de certains éléments de l’alliage constitue une autre piste intéressante : il permettrait d’ajuster les alliages aux exigences de pression et de température et de les adapter à des moteurs spécifiques. L’amélioration de ces matériaux soutient activement le développement du secteur des énergies renouvelables, en élargissant le champ d’application des systèmes à hydrogène et en améliorant leurs performances et leur fiabilité.

Transfert thermique dans les systèmes à hydrure métallique

Un transfert thermique efficace est essentiel à l’interaction optimale entre l’hydrure métallique et les autres composants du système, car il détermine la vitesse d’absorption et de libération de l’hydrogène. Lors de l’hydrogénation, le matériau métallique saturé absorbe ou libère de l’hydrogène dans le cadre d’une réaction exothermique, qui dégage de l’énergie. La chaleur doit alors être évacuée ou dissipée rapidement ; sinon, le système risque de surchauffer. À l’inverse, il faut apporter de la chaleur au système en déshydrogénation à la température souhaitée pour surmonter la barrière thermique de la réaction.

Les conceptions modernes intègrent souvent des matériaux à forte conductivité thermique, comme l’aluminium ou le cuivre, dans les dissipateurs thermiques afin d’accélérer l’évacuation de la chaleur. Certains réacteurs à hydrure métallique peuvent aussi intégrer des structures d’échange thermique, des dissipateurs convectifs, voire des systèmes hybrides de refroidissement par air pour améliorer le transfert thermique. La littérature disponible indique également qu’une amélioration du transfert thermique dans ces appareils peut contribuer sensiblement à réduire la consommation d’énergie et la durée du cycle, et donc à améliorer le stockage et la récupération de l’hydrogène par hydrure.

Section 04

Applications des compresseurs d’hydrogène à hydrure métallique

Les compresseurs d’hydrogène à hydrure métallique offrent des avantages importants et conviennent à de nombreux procédés industriels impliquant le stockage et le transport de l’hydrogène. Bien qu’ils soient particulièrement efficaces pour la fabrication de produits, ils ont aussi d’autres applications notables, notamment le reformage des hydrocarbures et la régulation des canalisations, qui exigent une régulation très précise de la pression. En outre, les compresseurs d’hydrogène ont contribué aux avancées des piles à combustible, qui fournissent une énergie propre pour les applications mobiles comme stationnaires. Leur capacité à fonctionner à des températures plus basses que les compresseurs mécaniques est également avantageuse lorsque les besoins thermiques sont déterminants, par exemple dans les systèmes d’énergie renouvelable et les usines chimiques.

Applications des compresseurs à hydrure métallique dans l’économie de l’hydrogène

01
Systèmes de stockage de l’hydrogène
La méthode de stockage de l’hydrogène utilisée dans ce procédé permet de gagner de la place et garantit un stockage sûr et efficace des gaz. Certains alliages, comme le LaNi₅ et les alliages à base de TiFe, peuvent par exemple subir des cycles réversibles d’hydrogénation et de déshydrogénation dans des plages de pression et de température définies. Ils permettent ainsi de stocker l’hydrogène en toute sécurité, même à des pressions de volatilisation telles que 200 bar.
02
Infrastructure de ravitaillement des véhicules à hydrogène
Dans les stations de ravitaillement en hydrogène, les compresseurs à hydrures métalliques (MHC) fonctionnent selon le principe de la « compression à la demande ». Leur rendement élevé et leur faible friction leur permettent de fonctionner sans usure dans les véhicules électriques à pile à combustible à hydrogène. Le ravitaillement en hydrogène nécessite des pressions élevées : les véhicules à pile à combustible fonctionnent généralement à plus de 350 bar, et les systèmes de ravitaillement conçus pour atteindre 700 bar exigent des pressions encore plus élevées.
03
Approvisionnement industriel en hydrogène
Certaines activités industrielles, comme la production chimique et le traitement des métaux, nécessitent de l’hydrogène pur pour mener à bien les procédés. Les compresseurs à hydrures métalliques, qui servent de technologies de liaison, peuvent en outre fournir de l’hydrogène de grande pureté à haute pression, conformément aux exigences industrielles élevées. Aujourd’hui, en sélectionnant des hydrures métalliques aux propriétés thermodynamiques adaptées, ces systèmes peuvent comprimer l’hydrogène dans des conditions offrant un rendement supérieur à 85 %.
04
Intégration des énergies renouvelables
La production et le stockage de l’hydrogène sont essentiels dans divers secteurs des énergies renouvelables, un domaine particulièrement adapté aux compresseurs à hydrures métalliques (MHC). Ces compresseurs peuvent comprimer l’hydrogène produit par électrolyse à partir d’énergies renouvelables, comme l’énergie solaire ou éolienne, et ainsi l’intégrer au réseau énergétique actuel. Des recherches sur l’utilisation d’absorbeurs métalliques et d’électrolyseurs à membrane échangeuse de protons en acier pour comprimer l’hydrogène ont montré qu’il est possible d’atteindre des pressions comprises entre 100 et 150 bar avec des pertes énergétiques négligeables.
05
Applications en laboratoire et en recherche
Grâce à leur qualité de fabrication et à leur longue durée de fonctionnement sans panne, les concentrateurs d’hydrogène à membrane sont largement utilisés en laboratoire pour gérer l’approvisionnement en hydrogène gazeux. Ils permettent de réaliser des expériences à la pression et avec la pureté d’hydrogène requises, y compris dans des installations expérimentales de petite taille. Des performances supérieures à 90 % ont été rapportées dans des évaluations et des expériences en laboratoire.

Avantages par rapport aux compresseurs d’hydrogène traditionnels

►
Rendement énergétique supérieur
Les compresseurs à hydrures métalliques, communément désignés par l’abréviation MHC, offrent un potentiel énergétique bien supérieur à celui des compresseurs mécaniques traditionnels. Dans les compresseurs mécaniques traditionnels pour hydrogène à haute pression, le rendement de la turbine est de 40-60 %, tandis que les assemblages membrane-électrodes (MEA) peuvent atteindre un rendement de 90 % dans des conditions de procédé optimales.
►
Maintenance réduite
Les MHC comportent beaucoup moins de pièces mobiles, ce qui réjouit leurs propriétaires. Ils sont également constitués de composants moins conventionnels que la plupart des machines, ce qui leur permet de fonctionner longtemps avant de tomber en panne. Leur maintenance est donc peu fréquente et peu coûteuse. Les MHC nécessitent aussi peu de lubrification, ce qui facilite les réparations.
►
Sécurité opérationnelle renforcée
Les dispositifs intégrés aux MHC rendent leur fonctionnement plus sûr, car ils fonctionnent à des pressions et à des températures nettement plus faibles que leurs homologues orientaux. Les compresseurs traditionnels dépassent souvent 200 bars en fonctionnement. En revanche, les MHC utilisant des hydrures réversibles aux performances comparables fonctionnent à des pressions plusieurs fois inférieures aux pressions de contrôle lors de la formation réversible des hydrures.
►
Pureté de l’hydrogène améliorée
Les MHC sont réputés utiles pour purifier l’hydrogène gazeux, car ils absorbent l’hydrogène, puis le libèrent. Il convient toutefois de préciser que les autres impuretés généralement présentes dans l’hydrogène, comme l’azote, l’oxygène et les hydrocarbures, ne sont pas absorbées par les hydrures métalliques.
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Conception compacte et modulaire
Les MHC sont conçus pour occuper très peu d’espace. Ils conviennent donc aux installations où l’espace est largement disponible de part et d’autre, ainsi qu’aux installations mobiles. Ils sont également évolutifs : le système peut être conçu et étendu en fonction de la capacité requise.
►
Réduction du bruit et des vibrations
Les pompes à chaleur magnétiques fonctionnent presque sans bruit, contrairement aux compresseurs mécaniques à pistons ou à membrane, qui peuvent produire beaucoup de bruit et de vibrations. Elles présentent donc des avantages considérables dans les établissements et les sites industriels où un environnement silencieux est nécessaire, comme les laboratoires et les stations urbaines de ravitaillement en hydrogène équipées de pompes robotisées.

Section 05

Perspectives de la compression de l’hydrogène par hydrures métalliques

L’amélioration des hydrures métalliques constitue une piste technique essentielle pour renforcer la compression de l’hydrogène. Des instituts travaillent actuellement à la mise au point de nouveaux alliages afin d’accroître la capacité de stockage et l’activité catalytique. Par ailleurs, l’intégration de sources d’énergie renouvelable, comme les panneaux solaires photovoltaïques et les éoliennes, progresse afin de rendre la compression de l’hydrogène plus durable. Des travaux importants portent sur l’adaptation des systèmes actuels à différentes tailles et sur l’acheminement de l’hydrogène vers les lieux où il est nécessaire, grâce à un plus grand nombre de réservoirs de stockage. La conception passive prend également une place croissante dans les technologies de nouvelle génération : en supprimant les équipements de régulation thermique, elle permet d’économiser davantage d’énergie et d’améliorer l’efficacité énergétique réglementaire.

Approches innovantes et modélisation numérique

La modélisation numérique joue un rôle essentiel dans l’optimisation des systèmes de compression de l’hydrogène par hydrures métalliques, car elle permet d’étudier le transfert thermique, la cinétique des réactions et les mécanismes de diffusion de l’hydrogène. Des méthodes plus spécialisées, comme la dynamique des fluides numérique (CFD) et l’analyse par éléments finis (FEA), contribuent à concevoir des simulations plus élaborées qui permettent d’examiner en détail les propriétés thermodynamiques et mécaniques dans différents modes de fonctionnement. Ces modèles quantitatifs fournissent des estimations de paramètres mesurables essentiels, comme le taux de compression, la stabilité des cycles et le rendement thermique, qui sont importants pour le développement et l’amélioration des systèmes.

Les nouvelles méthodes de recherche associent simulation informatique et expérimentation dans un même système, dont la structure du modèle peut être modifiée à partir de données réelles recueillies en ligne. Cette méthode permet notamment de prédire le bon fonctionnement du système sur une période donnée. Elle aide à résoudre des problèmes précis, comme l’amélioration de l’efficacité du dissipateur thermique ou la prévention de la dégradation des matériaux. Dans le prolongement de cette tendance, la conception de systèmes à hydrures métalliques faisant appel à l’apprentissage automatique constitue un autre outil utile pour améliorer les performances et réduire les efforts nécessaires. Ce concept novateur dans le secteur de l’énergie promet de réduire la consommation énergétique des dispositifs à hydrures métalliques lors de leur mise en service.

Perspectives de l’énergie hydrogène

L’énergie hydrogène présente un fort potentiel de développement grâce à l’association d’une production d’hydrogène respectueuse de l’environnement et de progrès dans la technologie des piles à combustible. Parmi les avancées possibles figure l’hydrogène « vert », dont plusieurs perspectives industrielles actuelles affirment qu’il permet de réduire les émissions de carbone grâce à une production utilisant notamment l’énergie éolienne. La recherche porte actuellement sur la mise au point d’électrolyseurs à membrane échangeuse de protons (PEM) afin d’améliorer leur rendement et, par conséquent, la capacité globale de production d’hydrogène.

L’utilisation des piles à combustible dans les automobiles a considérablement progressé. Les secteurs des transports et de l’automobile ont montré qu’ils avaient besoin d’une autre forme de carburant pour ces piles. Des progrès ont été réalisés dans la fabrication de piles à combustible plus légères et plus performantes. Ces performances et capacités de production améliorées suscitent un vif intérêt pour les véhicules à hydrogène, notamment en matière de rendement énergétique et d’autonomie. La conception de piles à combustible à oxyde solide (SOFC) se développe également : ces piles, envisagées pour fonctionner à des températures plus élevées, pourraient être utilisées au-delà des transports, notamment dans des applications stationnaires.

À une autre échelle, des efforts sont déployés pour mettre en place des réseaux de distribution d’hydrogène. La construction, l’extension et la modernisation des gazoducs, ainsi que la création de zones dédiées à l’hydrogène dans les régions où la demande industrielle est élevée, progressent très rapidement. Si cette évolution se poursuit, l’hydrogène pourrait contribuer à résoudre le problème des émissions mondiales nettes nulles d’ici deux à trois décennies.

Références

Sources de référence

- 01
  
  Évaluation des performances d’un compresseur d’hydrogène à hydrures métalliques
  En savoir plus →
- 02
  
  Développement d’un compresseur à hydrures métalliques haute pression de 700 bar
  En savoir plus →
- 03
  
  Compresseur d’hydrogène

FAQ

Questions fréquentes

Comment fonctionne le stockage de l’hydrogène avec des compresseurs à hydrures métalliques ?

Le système de stockage de l’hydrogène à base d’hydrures solides repose sur l’absorption et la désorption réversibles de l’hydrogène dans les alliages, ce qui permet de stocker l’hydrogène comprimé sous forme solide. Le compresseur à hydrures fonctionne différemment : il comprime l’hydrogène sans pistons. La compression est entraînée thermiquement ou repose sur l’utilisation d’hydrures métalliques avec rejet de chaleur, ce qui permet de produire de l’hydrogène à haute pression à partir d’une chaleur de faible qualité. Ces systèmes sont particulièrement utiles pour atteindre des rapports de compression élevés et, parfois, des pressions élevées du gaz comprimé, pouvant atteindre près de 70 MPa en laboratoire.

Un système à hydrures métalliques de type réacteur peut-il servir de compresseur d’hydrogène ?

Un compresseur d’hydrogène peut être intégré à un bloc réacteur utilisant des hydrures métalliques afin de tirer parti des cycles de température et de pression. Ce fonctionnement permet l’absorption et le dégazage de l’hydrogène sans recourir à des pièces mécaniques. Ces systèmes à réacteur peuvent être entraînés thermiquement ou utiliser des principes à hydrures et électromécaniques pour accroître le débit et la compressibilité de l’hydrogène. Ils peuvent également fonctionner avec une énergie de faible qualité ou une énergie résiduelle plutôt qu’une énergie primaire. Cette caractéristique les rend utiles pour la production d’énergie locale.

Quels sont les avantages des systèmes de stockage par hydrures métalliques pour la compression de l’hydrogène ?

Les systèmes de stockage à hydrures métalliques sont considérés comme l’une des meilleures méthodes et, dans bien des cas, la plus pratique pour stocker, comprimer et transporter l’hydrogène. Cela tient au stockage de l’hydrogène sous forme solide, au sein d’une phase métal-hydrogène dans le matériau. De plus, ces systèmes fondés sur la technologie des hydrures métalliques permettent de conditionner l’hydrogène plus efficacement, en réduisant le recours aux hautes pressions nécessaires avec des compresseurs mécaniques d’hydrogène pour le stockage d’énergie. Un nouveau concept hybride de compression, encore à ses débuts, permet à un hydrure métallique d’assurer trois fonctions différentes.

Comment l’absorption et la désorption de l’hydrogène permettent-elles la compression dans les dispositifs à hydrures métalliques ?

L’absorption et la désorption de l’hydrogène par un métal Fischer–Tropsch produisent des effets de décompression. L’absorption a lieu à basse pression, tandis que la désorption se produit lorsque le métal est chauffé à une pression plus élevée. Le pompage est alors possible sans déplacer de pistons. Ce procédé peut être amélioré grâce à certains alliages contenant des hydrures et conservant de bonnes propriétés thermodynamiques de rétention de l’hydrogène, ainsi qu’à l’utilisation de chaleur résiduelle ou de procédés électrochimiques pour réguler les variations de température et maintenir un débit de libération d’hydrogène donné.