Décollage du stockage de l’hydrogène sous forme solide

Le groupe Enel, plus grande entreprise d’électricité d’Italie et deuxième en Europe en termes de capacités installées, a récemment commandé à McPhy Energy un système de stockage d’une capacité de 2 kg d’hydrogène sous forme d’hydrure de magnésium. Le réservoir a été conçu suite aux essais réalisés au CEA-Liten de Grenoble sur le réservoir pré-industriel Hymage (au cours de cette évaluation, le réservoir McPhy Energy a été couplé à un électrolyseur et à une pile à combustible).

La solution de McPhy Energy sera intégrée dans une chaine complète de technologies innovantes dont l’éolien, le photovoltaïque, la production et le stockage d’hydrogène. Le réservoir Mc Phy Energy sera installé sur la zone d’expérimentation de Livourne (Italie) et le projet sera supervisé par un groupe de chercheurs du Centre de Recherche d’Enel de Pise.

Moins d’un mois plus tard, c’est Iwatani Corporation, la première société sur le marché de l’hydrogène au Japon, qui a signé un contrat avec McPhy Energy pour la fourniture d’un système de stockage de 4 kg d’hydrogène. McPhy Energy installera un système complet de stockage d’hydrogène industriel sur un site d’Iwatani, au Japon. Le contrat a été signé après que les experts d’Iwatani aient, pendant un an, évalué la technologie de McPhy Energy et visité les installations des laboratoires du CNRS et du CEA en France où les réservoirs de McPhy sont déjà utilisés.

« En fournissant l’hydrogène de manière fiable, sûre et économique, Iwatani fait avancer la quête japonaise d’une réelle économie de l’hydrogène », déclare un responsable du marché hydrogène d’Iwatani. « La technologie de stockage solide de McPhy Energy offre une solution unique aux défis de ce marché. »

Ces deux commandes marquent le véritable développement commercial de la technologie McPhy Energy qui détient des droits exclusifs sur un portefeuille de brevets uniques, qui sont l’aboutissement de plus de 8 années de recherche au CNRS et au CEA, en partenariat avec l’Université Joseph Fourier. Ce procédé, caractérisé par un stockage de l’hydrogène sous forme solide, dans des hydrures de magnésium, qui ne requiert pas de compression, constitue une solution innovante pour un stockage sûr et réversible de l’hydrogène, avec une excellente efficacité énergétique.

Trois méthodes de stockage de l’hydrogène

L’hydrogène ayant une densité d’énergie massique très élevée mais étant un gaz très léger, son stockage et son transport constituent de véritables défis. Le but des technologies de stockage de l’hydrogène est donc de réduire le volume naturellement occupé par l’hydrogène dans son état thermodynamiquement stable dans des conditions ambiantes.

Historiquement, les méthodes de stockage sont basées sur la compression et la liquéfaction (stockage direct), qui sont maintenant des approches établies et d’un bon rendement mais qui impliquent  d’énormes problèmes de sécurité et de coûts associés à la compression et au refroidissement. En pratique, l’hydrogène gazeux doit être comprimé à plusieurs centaines d’atmosphères et stocké dans une cuve ou un réservoir sous pression fait d’acier ou d’un matériau composite. Une opération qui utilise 10 à 25 % du contenu énergétique du gaz. Quant au stockage de l’hydrogène sous forme liquide, il est encore plus onéreux : il nécessite des investissements et des installations lourdes pour sa liquéfaction, sa conservation et sa mise en œuvre sous forme liquide à 20 Kelvin (-253°C).

La troisième alternative, très prometteuse, consiste à stocker l’hydrogène sous forme d’hydrures métalliques, lesquels ont fait l’objet d’études intensives depuis de nombreuses années, offrant un stockage de l’hydrogène sécurisé, réversible avec un excellent rendement énergétique (pas de compression).

La solution : les hydrures métalliques

McPhy a développé des techniques uniques qui résolvent les limites traditionnelles de l’hydrogène sous forme solide. Son procédé, qui offre un rendement énergétique de 97 %, fait appel à des hydrures métalliques, des composés chimiques formés lorsque l’hydrogène réagit avec certains métaux et qui offrent une densité volumique beaucoup plus élevée que le gaz comprimé ou liquide. Ce sont les hydrures de magnésium (MgH₂) qui ont été retenus pour le stockage de masse, des additifs et la nano-structuration du MgH₂ aidant à accélérer le processus d’hydrogénation et de déshydrogénation du magnésium pendant les cycles d’adsorption/désorption.

Ces hydrures de magnésium qui sont produit sur le site de fabrication actuel de McPhy offrent de nombreux avantages :

• un stockage totalement réversible : pour une température donnée, si la pression est au-dessus d’un certain niveau (la pression d’équilibre), le métal absorbe l’hydrogène pour former un hydrure métallique. Si la pression est en-dessous de la pression d’équilibre, il y a désorption de l’hydrogène et le métal revient à son état d’origine. La pression d’équilibre varie en proportion directe de la température ;
• un chargement à la pression de l’électrolyseur (10 bar) ;
• un déchargement à la pression de la pile à combustible/turbine à gaz H₂ (2 bar) ;
• pas de compression pendant le processus de chargement/déchargement (économies d’énergie, de coûts et de maintenance) ;
• une grande stabilité au cyclage ;
• le magnésium est un matériau abondant et bon marché, sans aucun impact sur l’environnement. Du fait de leur non-réactivité avec d’autres matériaux, les hydrures de magnésium n’ont pas à être stockés dans des conteneurs faits de métaux spécialement traités ;
• le stockage de l’énergie thermique dans un réservoir adiabatique stationnaire. Un matériau à changement de phase (MCP) breveté mis en contact thermique à travers les parois métalliques avec le composite McPhy permet de stocker l’énergie thermique pendant le chargement et de la récupérer pendant le déchargement.

Les marchés de l’hydrogène industriel et des énergies renouvelables

Aujourd’hui, la production industrielle de l’hydrogène provient essentiellement du reformage de gaz naturel (95 % de la production mondiale) et, moins fréquemment, de méthodes de production d’hydrogène à plus forte intensité énergétique telles que l’électrolyse de l’eau. McPhy cible le secteur de l’hydrogène vendu par les fournisseurs de gaz industriels, qui inclut l’hydrogène liquide ou gazeux distribué en bouteilles, par pipelines, camions-citernes ou rail. Sa technologie permet de remplacer ce schéma logistique complexe par une production d’hydrogène sur site, associée à des conteneurs de stockage sous forme solide, permettant aux utilisateurs d’hydrogène industriel de :

• réduire les risques industriels grâce à un stockage plus sécurisé ;
• réduire la consommation d’énergie sachant que le stockage de l’hydrogène consomme traditionnellement jusqu’à 33 % de l’énergie contenue dans le gaz ;
• réduire les émissions de CO₂ et l’empreinte écologique (10 t de CO₂/t H₂).

Autre marché visé, celui des énergies renouvelables. Au cours des trente dernières années, même si les technologies des énergies renouvelables sont devenues matures grâce aux nombreuses expériences qui ont été menées à bien (en particulier dans le domaine de l’énergie solaire et éolienne), leur utilisation en tant que source d’énergie en grandes quantités a depuis longtemps été limitée à quelques centrales électriques actives produisant des quantités limitées d’électricité. Le déploiement de ces technologies suit aujourd’hui une nouvelle tendance avec une croissance impressionnante et une part plus importante de la production d’électricité. Pour ce marché, McPhy permet un stockage de l’énergie en grandes quantités sous forme d’hydrogène, permettant de :

• réduire l’imprévisibilité et le caractère intermittent de la production des énergies renouvelables ;
• résoudre le problème de l’écart temporel entre la production (offre) et la consommation (demande).

Les centrales peuvent soit reconvertir l’hydrogène en électricité à l’aide d’une pile à combustible, soit alimenter le marché de l’hydrogène à travers les réseaux de canalisations existants ou des conteneurs de stockage transportables McPhy.