Présentation
RÉSUMÉ
Le procédé de stockage chimique de l’hydrogène dans les liquides organiques (LOHC) est régi par deux réactions catalytiques : l’hydrogénation de la molécule pauvre en hydrogène et la déshydrogénation de la molécule riche. Les couples de molécules sont choisis stockables et transportables sur de longues durées et distances dans des infrastructures standard. Cet article fait un état des lieux des couples de LOHC, des catalyseurs et des réacteurs impliqués dans la mise en place de cette solution technologique pour permettre un dimensionnement de procédé. Les aspects efficacité énergétique et les aspects environnementaux et économiques sont également analysés.
Lire cet article issu d'une ressource documentaire complète, actualisée et validée par des comités scientifiques.
Lire l’articleABSTRACT
The chemical storage of hydrogen in organic liquids (LOHC) is governed by two catalytic reactions: hydrogenation of the hydrogen-lean molecule and dehydrogenation of the hydrogen-rich molecule. The pairs of molecules are chosen to be storable and transportable over long periods and distances in standard infrastructures. This article provides an overview of the LOHC pairs, catalysts and reactors involved in implementing this technological solution, with a view to sizing the process. Energy efficiency, environmental and economic aspects are also analysed.
Auteur(s)
-
Valérie MEILLE : Chargée de recherche CNRS - Institut de Recherches sur la Catalyse et l’Environnement (IRCELYON), CNRS/UCBL, Villeurbanne, France
-
Isabelle PITAULT : Chargée de recherche CNRS - Laboratoire d’Automatique, de Génie des Procédés et de Génie Pharmaceutique (LAGEPP), CNRS/UCBL, Villeurbanne, France
INTRODUCTION
L’utilisation de l’hydrogène produit par électrolyse à partir d’énergies renouvelables dites « vertes » est en plein essor : on peut effectivement utiliser l’hydrogène comme vecteur d’énergie propre, pour répondre aux enjeux de décarbonation de l’industrie. Cependant, compte tenu des propriétés physico-chimiques de cette molécule particulière, le stockage de l’hydrogène reste encore un frein au développement de masse de son utilisation. Plus particulièrement, le stockage longue durée (utilisation décalée dans le temps), ou le transport (utilisation décalée dans l’espace) doivent encore trouver des solutions technologiques sûres, compactes, peu énergivores et viables économiquement.
Plusieurs technologies de stockage de l’hydrogène ont été étudiées, et sont en cours de développement, ou développées industriellement. Chaque technologie de stockage présente des avantages et des inconvénients, qui varient, en fonction du procédé de production de l’hydrogène, en amont du stockage, et du procédé consommant l’hydrogène, en aval du stockage. À l’heure actuelle, aucune technologie ne s’étant révélée idéale et universelle, leur comparaison en vue du développement d’une nouvelle application reste incontournable.
La méthode de stockage de l’hydrogène qui nous intéresse ici est le stockage chimique dans des molécules organiques, liquides dans les conditions ambiantes de température et de pression, appelées LOHC (Liquid Organic Hydrogen Carriers, en français : liquides organiques porteurs d’hydrogène). Pour le stockage chimique, de nombreuses molécules sont envisagées. Outre la capacité massique de stockage de l’hydrogène, d’autres critères de choix ont été examinés : la thermodynamique du cycle des réactions (on préfère que de faibles énergies soient mises en jeu), la disponibilité des molécules, la toxicité des molécules riches et pauvres en hydrogène intervenant dans le cycle, et leur état à température ambiante (solide, liquide ou gazeux). Ce dernier point est important car il distingue souvent les LOHC, qui sont liquides, des autres molécules stockeuses d’hydrogène, telles celles de l’ammoniac et du formaldéhyde, gazeuses dans les conditions ambiantes de température et de pression.
Le stockage chimique d’hydrogène dans les LOHC se fait par réaction catalytique d’hydrogénation de composés pauvres en hydrogène, notamment des molécules aromatiques. La réaction d’hydrogénation est généralement réalisée à des pressions d’hydrogène entre 30 et 60 bar, et à des températures entre 130 et 200 °C. La restitution de l’hydrogène moléculaire se fait par une réaction catalytique de déshydrogénation, à des pressions proches de la pression atmosphérique, et à des températures d’au moins 200 °C, la réaction étant endothermique.
Les composés riches et pauvres en hydrogène sont liquides, et stables chimiquement dans les conditions standard de température et de pression. Ils sont facilement stockables sur de longues périodes, et transportables sur de longues distances, avec des infrastructures pétrochimiques existantes.
Quatre défis scientifiques sont liés à cette voie de stockage, pour répondre aux critères de durabilité des solutions (sûreté, faibles coûts énergétiques et économiques) :
-
choisir le couple de composés LOHC présentant une capacité de stockage élevée, une faible toxicité, une disponibilité importante, et une enthalpie de déshydrogénation la plus basse possible, ou en adéquation avec le niveau et la quantité d’énergie thermique disponible dans les unités d’utilisation de l’hydrogène en aval ;
-
sélectionner un système catalytique contenant le moins de matériaux critiques possible, mais permettant de faire le cycle hydrogénation/déshydrogénation de manière sélective et sans désactivation ;
-
concevoir les réacteurs d’hydrogénation et de déshydrogénation permettant d’effectuer les réactions de façon isotherme ;
-
concevoir des procédés de stockage et de restitution de l’hydrogène s’intégrant thermiquement dans la chaîne de production et d’utilisation de l’hydrogène, pour maximiser le rendement énergétique global.
Cet article a pour objectif de faire un bilan des recherches et du développement sur le procédé de stockage de l’hydrogène dans les LOHC jusqu’en 2023, et de donner des bases de réflexions pour le développement de nouvelles technologies, en comparant ce procédé aux procédés d’hydrogénation et de déshydrogénation utilisés en pétrochimie et en raffinage. Bien que ce bilan ne se prétende pas exhaustif, de nombreux aspects du procédé vont être abordés :
-
le choix des molécules ;
-
le choix des phases actives catalytiques ;
-
la cinétique chimique ;
-
la thermodynamique ;
-
les réacteurs pour les deux étapes du procédé que sont l’hydrogénation des molécules pauvres en hydrogène et la déshydrogénation des molécules riches en hydrogène ;
-
l’intégration thermique des différentes étapes unitaires, de la production à la consommation d’hydrogène, afin de montrer l’intérêt énergétique du procédé ;
-
enfin, les aspects économiques et environnementaux, sur la base des études publiées existantes.
KEYWORDS
Hydrogen storage | LOHC | organic hydrides | economic and environmental aspects
DOI (Digital Object Identifier)
Cet article fait partie de l’offre
Hydrogène
(46 articles en ce moment)
Cette offre vous donne accès à :
Une base complète d’articles
Actualisée et enrichie d’articles validés par nos comités scientifiques
Des services
Un ensemble d'outils exclusifs en complément des ressources
Un Parcours Pratique
Opérationnel et didactique, pour garantir l'acquisition des compétences transverses
Doc & Quiz
Des articles interactifs avec des quiz, pour une lecture constructive
Présentation
3. Schéma de principe du procédé de stockage cyclique de l’hydrogène dans les LOHC
Le procédé de stockage d’hydrogène dans les LOHC étant un procédé cyclique, il est constitué de deux unités : une unité d’hydrogénation et une unité de déshydrogénation. Ces unités peuvent être sur le même site industriel, dans le cas d’un stockage longue durée, ou sur des lieux distants (voire sur des continents différents) dans le cas du transport d’énergie.
En général, elles sont conçues et dimensionnées pour un seul couple de molécules LOHC. Ceci est dû à la capacité de stockage et aux propriétés physico-chimiques des molécules LOHC, qui peuvent être très différentes d’un couple de molécules LOHC à l’autre. Pour un procédé polyvalent et utilisable pour différents couples de molécules LOHC, les unités d’hydrogénation et de déshydrogénation doivent être reconfigurées entre chaque campagne, ou elles doivent avoir été conçues au préalable pour être polyvalentes. Dans cette partie, seules les caractéristiques générales du procédé seront abordées.
Quelle que soit la molécule LOHC envisagée, les unités d’hydrogénation et les unités de déshydrogénation ont des points communs. Des schémas génériques présentant les différentes étapes au sein de ces unités sont présentés en figure 6.
3.1 Équilibres thermodynamiques de réaction
Le procédé de stockage d’hydrogène dans les LOHC est un procédé techniquement et énergétiquement viable. L’hydrogénation des LOHC– et la déshydrogénation des LOHC+ peuvent en effet être des réactions à conversion totale dans des gammes de température et de pression pour lesquelles la dégradation des molécules et des catalyseurs est limitée. De plus, les réactions sont suffisamment rapides pour que la taille des réacteurs n’induise pas des coûts exorbitants. Cela nécessite toutefois aussi que les réactions d’hydrogénation et de déshydrogénation soient des réactions équilibrées, et que les conditions opératoires soient choisies en fonction des équilibres thermodynamiques de réactions.
La figure ...
Cet article fait partie de l’offre
Hydrogène
(46 articles en ce moment)
Cette offre vous donne accès à :
Une base complète d’articles
Actualisée et enrichie d’articles validés par nos comités scientifiques
Des services
Un ensemble d'outils exclusifs en complément des ressources
Un Parcours Pratique
Opérationnel et didactique, pour garantir l'acquisition des compétences transverses
Doc & Quiz
Des articles interactifs avec des quiz, pour une lecture constructive
Schéma de principe du procédé de stockage cyclique de l’hydrogène dans les LOHC
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - ROSS (D.-K.) - Hydrogen storage: The major technological barrier to the development of hydrogen fuel cell cars. - Vacuum, 80, p. 1084-1089 (2006).
-
(2) - NIERMANN (M.), TIMMERBERG (S.), -DRÜNERT (S.), KALTSCHMITT (M.) - Liquid Organic Hydrogen Carriers and Alternatives for International Transport of Renewable Hydrogen. - Renewable and Sustainable Energy Reviews, 135, p. 110171 (2021).
-
(3) - ANDERSSON (J.), GRÖNKVIST (S.) - Large-Scale Storage of Hydrogen. - International Journal of Hydrogen Energy, 44, p. 11901-11919 (2019).
-
(4) - PARMALIANA (A.), CRISAFULLI (C.), -MAGGIORE (R.), BART (J.-C.-J.), GIORDANO (N.) - Catalytic Activity of Honeycomb Catalysts, I. The Benzene-Cyclohexane (de)Hydrogenation Reaction. - Reaction Kinetics and Catalysis Letters, 18, p. 295-299 (1981).
-
(5) - TAUBE (M.), RIPPIN (D.-W.-T.), CRESSWELL (D.-L.), KNECHT (W.) - A system of hydrogen-powered vehicles with liquid organic hydrides. - International Journal of Hydrogen Energy, 8, p. 213-225 (1983).
- ...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
-
Cyclohexane, Procédé IFP.
ANNEXES
1.1 Constructeurs – Fournisseurs – Distributeurs (liste non exhaustive)
Systèmes intégrés de stockage d’hydrogène dans les LOHC
Hydrogenious LOHC Technologies, Allemagne : https://hydrogenious.net/
Chiyoda Corp., Japon : https://www.chiyodacorp.com/en/service/spera-hydrogen/
Hynertech Co., Ltd., Chine : https://www.hynertech.com/en/
Stockage d’hydrogène dans un composé liquide minéral, nommé Hydrosil
HSL Technologies, France : https://www.hsl.tech/
HAUT DE PAGE1.2 Organismes – Fédérations – Associations (liste non exhaustive)
Fédération de recherche Hydrogène du CNRS (FRH2) : https://frh2.cnrs.fr/
HAUT DE PAGE1.3 Laboratoires – Bureaux d'études – Écoles – Centres de recherche (liste non exhaustive)
Institut...
Cet article fait partie de l’offre
Hydrogène
(46 articles en ce moment)
Cette offre vous donne accès à :
Une base complète d’articles
Actualisée et enrichie d’articles validés par nos comités scientifiques
Des services
Un ensemble d'outils exclusifs en complément des ressources
Un Parcours Pratique
Opérationnel et didactique, pour garantir l'acquisition des compétences transverses
Doc & Quiz
Des articles interactifs avec des quiz, pour une lecture constructive