Bibliographie & annexes
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En anglais
NOTE DE L'ÉDITEUR
La norme ISO 4957 de décembre 1999 citée dans cet article a été remplacée par la norme ISO 4957 "Aciers à outils" Révision 2018
Pour en savoir plus, consultez le bulletin de veille normative VN1806 (juillet 2018).
RÉSUMÉ
Face à la demande croissante d’énergie et à l’appauvrissement des ressources fossiles, l’hydrogène est poussé sur le devant de la scène, car pressenti comme un vecteur énergétique alternatif intéressant. La filière hydrogène comprend bien sûr la production et la conversion de l’hydrogène, mais également son stockage et son transport. Cet article passe en revue les matériaux mis en œuvre lors de ces deux étapes. Pour que le déploiement de l’économie d’hydrogène se fasse sous des conditions respectueuses de l’environnement, le cahier des charges et la sélection de ces matériaux doivent être sérieusement repris.
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Increasing energy demands and depletion of fossil fuels have added new importance to hydrogen as an interesting alternative energy carrier. Hydrogen technology not only includes the production and conversion of hydrogen but also its storage and transportation. This article reviews the materials involved in these two stages. In order that the deployment of the hydrogen economy is carried out under conditions respecting the environment, the specifications and selection of these materials must be taken seriously.
Auteur(s)
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Florence LEFEBVRE-JOUD : Ingénieur-chercheur CEA LITEN
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Laurent BRIOTTET : Ingénieur-chercheur CEA LITEN
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Olivier GILLIA : Ingénieur-chercheur CEA LITEN
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Fabien Nony : Ingénieur-chercheur CEA DAM Le Ripault
INTRODUCTION
Faisant suite à une première partie consacrée aux matériaux impliqués dans la production et la conversion de l'hydrogène, cette seconde partie se concentre sur les matériaux mis en œuvre pour le transport et le stockage de l'hydrogène.
L'hydrogène est déjà communément stocké dans des bouteilles hyperbares et transporté dans des réseaux de pipelines pour ses applications dans l'industrie chimique, sidérurgique et pétrochimique. Toutefois, son déploiement dans le cadre d'une économie hydrogène respectueuse de l'environnement modifie significativement le cahier des charges de ces deux étapes. Le coût du transport et de la distribution de l'hydrogène reste trop élevé tandis que la capacité volumique des réservoirs d'hydrogène constitue un verrou technologique majeur pour son utilisation comme carburant automobile.
Le cahier des charges spécifique de chacune de ces deux applications est rappelé afin d'introduire les matériaux sélectionnés, leurs principales propriétés et leur mise en œuvre. Pour conclure, les enjeux actuels spécifiques des différents matériaux et des applications sont présentés.
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Enjeux actuels des matériaux de la filière hydrogène
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3. Mise en œuvre des matériaux suivant les applications
Afin de se concentrer sur les mises en œuvre spécifiques de la filière hydrogène, on ne reprendra pas dans ce document la description des procédés traditionnels de mises en œuvre des alliages métalliques. Seules les mises en œuvre d'hydrures métalliques et les élaborations des composites étanches à l'hydrogène pour les réservoirs hyperbares seront détaillés.
3.1 Mise en œuvre des hydrures
La mise en œuvre des hydrures nécessite la maîtrise de deux phénomènes particulièrement contraignants. La réaction est exothermique dans le sens d'une absorption de l'hydrogène et endothermique dans l'autre sens. La quantité d'énergie calorifique générée pendant la réaction, directement proportionnelle à l'enthalpie de réaction n'est pas négligeable : pour un hydrure de type TiFe (capacité réversible de 1,5 % en masse, ΔH = – 28,1 kJ/mol), elle correspond par exemple à 12 % de l'énergie contenue dans l'hydrogène stocké. Si l'on veut charger rapidement une grande quantité d'hydrure, il faut évacuer la chaleur produite. Dans le cas contraire, la pression d'équilibre vient rapidement égaler la pression de chargement d'hydrogène (si la température augmente, la pression d'équilibre augmente), bloquant tout chargement par l'hydrogène. De même, lors de la désorption, si la chaleur apportée n'est pas suffisante, la pression d'équilibre devient inférieure à la pression requise en sortie de réservoir et le débit de désorption s'arrête.
En pratique, il faut donc introduire les hydrures dans un échangeur de chaleur performant (figure 4). Par exemple, pour remplir un réservoir de TiFe avec 1 kg d'hydrogène en 15 minutes, il faut évacuer une énergie de 3,9 kWh en 15 minutes, soit une puissance thermique de 15,5 kW.
Par ailleurs, les performances pourront être améliorées si la conductivité de l'hydrure est améliorée. La conductivité de l'hydrure est généralement basse car souvent le matériau lui-même n'est pas bon conducteur et, de plus, il se présente sous forme pulvérulente. La conductivité est améliorée par mélange et cocompaction avec du carbone ...
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - ELANM (C.C.), GREGROIRE PADRO (C.E.), SANDROCK (G.), LUZZI (A.), LINDBLAD (P.), FJERMESTAD HAGEN (E.) - Realizing the hydrogen future : the International Energy Agency's efforts to advance hydrogen energy technologies. - International Journal of Hydrogen Energy, vol. 28, no 6, p. 601 (2003).
-
(2) - CASTELLO (P.), TZIMAS (E.), MORETTA (P.), PETEVES (D.) - Techno-economic assessment of hydrogen transmission and distribution systems in Europe in the medium and long term. - European Commission, Directorate General Joint Research Centre (2005).
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(3) - SOJKA (J.) - Fragilisation par l'hydrogène d'aciers faiblement alliés dans l'industrie nucléaire – Rôle de la microstructure et de l'état inclusionnaire. - Thèse de doctorat École centrale, Paris, juil. 1997.
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(4) - STERN (S.A.) - Polymers for gas separations : the next decade. - J. of Memb. Sci., 94, p. 1-65 (1994).
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(5) - NAITO (Y.), MIZOGUSHI (K.) et al - * - J. Pol. Sci, Polym. Phys., 29, p. 457-462 (1991).
-
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DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
Base de données sur les hydrures http://hydpark.ca.sandia.gov/
Groupement de recherche Acthyf http://www.gdr-acthyf.cnrs.fr
Projet européen STORHY http://www.storhy.net
Projet européen NESSHY http://www.nesshy.net
Base de données matériaux hydrures http://hydpark.ca.sandia.gov/DBFrame.html
Department of Energy (DOE) aux USA http://www1.eere.energy.gov/hydrogenandfuelcells/storage/metal_hydrides.html
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