Dihydrogène - Définition

Utilisations industrielles

La consommation mondiale d’hydrogène est aujourd’hui d’environ 50 millions de tonnes par an. La majeure partie de la production de dihydrogène est consommée sur place, dans l’industrie chimique et pétrochimique principalement: synthèse de l’ammoniac (50 %), raffinage et désulfuration des hydrocarbures (37 %), synthèse du méthanol (12 %).

Les principales utilisations industrielles du dihydrogène sont :

• les procédés Haber-Bosch de production de l'ammoniac, l'hydrogénation des graisses et des huiles et la production de méthanol.
• la fabrication de l'acide chlorhydrique, le soudage, les carburants pour fusées et la réduction de minerais métalliques ;
• le dihydrogène liquide (LH2) est utilisé pour les recherches à très basses températures, y compris l'étude de la supraconductivité ;
• il était utilisé dans les ballons car il est quatorze fois plus léger que l'air, mais il a été remplacé par l'hélium pour des raisons de sécurité.
• le deutérium (²H) est utilisé dans les applications nucléaires comme modérateur (eau lourde ou D₂O) pour ralentir les neutrons. Les composés du deutérium sont aussi utilisés en chimie et en biologie pour étudier ou utiliser l'effet isotopique ;
• le tritium (³H), un autre isotope, est produit dans les réacteurs nucléaires et est utilisé pour la construction de bombes atomiques. Il est également utilisé comme un marqueur isotopique dans les biosciences et comme source de radiation dans les peintures luminescentes.
• l'hydrogène ou plutôt de l'azote hydrogénée est aussi utilisé comme gaz traceur pour effectuer des opérations de recherches de micro-fuites dans des ensembles industriels (automobiles, biens d'équipement, installation de chauffage, réseau de distribution d'eau, réservoir d'avions, etc.).
• Le dihydrogène est un additif alimentaire autorisé sous la référence E 949, voir Liste des additifs alimentaires.
• Le dihydrogène est aussi utilisé comme fluide calo-porteur dans certaines machines de haute puissance (alternateur synchrone de centrale par exemple).

Stockage

À ce jour, trois grandes voies de stockage d'hydrogène à bord d'un véhicule sont envisagées:

• Le stockage comprimé
• Le stockage liquide
• Le stockage moléculaire

Gaz comprimé

C'est la forme la plus commune de stockage du dihydrogène.

Le stockage gazeux sous forme comprimé (actuellement 350 bar) permet d'atteindre une densité massique satisfaisante avec des réservoirs composites. La densité volumique de stockage reste faible: une pression de 700 bar est inévitable pour rendre la technologie compétitive.

La technologie existe et est couramment utilisée. Son inconvénient réside dans l'énergie nécessaire à la compression et dans la faible efficacité en termes d'encombrement en comparaison aux autres méthodes. Cet encombrement est une des difficultés pour l'utilisation du dihydrogène sous forme de gaz comprimé dans les applications automobiles.

Stockage liquide (cryogénique)

Le stockage liquide à 20 K (-253 °C) sous 10 bars permet d'atteindre des densités volumique et massique intéressantes mais nécessite des réservoirs à l'isolation thermique poussée afin de minimiser l'évaporation.

La technologie est existante. Elle a une meilleure efficacité volumique que le stockage de gaz comprimé (70 kg·m^-3 contre 10 kg·m^-3 à 115 bar et 0 °C). Cependant, cet avantage est modéré par le volume relativement important des enceintes isolantes nécessaires.

D'autre part, il faut une énergie importante pour passer en phase liquide: la liquéfaction consomme 30 à 40% du contenu énergétique du gaz et la déperdition en utilisation réelle est importante (actuellement 1,25 pour mille par heure), pénalisant fortement le stockage au-delà d'une semaine.

Cette technique est notamment utilisée dans le domaine spatial où, malgré le faible délai de mise en œuvre, la remplissage est continu jusqu'au dernier moment.

Hydrures métalliques

Le stockage sur des substrats sous forme absorbée, notamment sur des hydrures métalliques, présente une densité volumique très intéressante mais une densité massique faible. De plus la cinétique, la température et la pression de cyclage restent des points durs à maîtriser.

Les atomes d'hydrogène sont stockés dans certains composés métalliques. On récupère le dihydrogène en chauffant ou en diminuant la pression. Cette technique est aujourd'hui mal maîtrisée. Elle a l'inconvénient de demander un dihydrogène extrêmement pur afin d'éviter de détruire la capacité d'absorption des hydrures. Le chauffage pour récupérer le gaz est également un handicap. Ce type de stockage en est au stade de recherche et n'est pas disponible aujourd'hui sur une base industrielle.

Capacité de stockage de certains hydrures.

Stockage par adsorption sur du carbone

Cette technique permet de stocker en surface de certaines structures de carbone telle que du charbon actif ou des nanotubes les molécules de dihydrogène. Elle permet de stocker 0.05 à 2 % en masse de dihydrogène.

Ce type de stockage est au stade de recherche.