Face à la demande énergétique mondiale croissante, l’épuisement des énergies fossiles ainsi que l’impact environnemental lié à l’émission de gaz à effet de serre nécessitent d’avoir recours à de nouvelles sources énergétiques et à des carburants propres. Dans ce contexte, l’hydrogène est considéré depuis quelques années comme l’un des futurs vecteurs d’énergie.
Dans le cadre de la problématique de la filière hydrogène, les travaux menés par l’Unité Chimie et Procédés (UCP) de l’ENSTA ParisTech s’orientent vers la mise au point de nouveaux procédés de production et de stockage de l’hydrogène. Les recherches en cours sont axées sur la production via des cycles thermochimiques, le stockage sous forme de gaz adsorbé dans des matériaux poreux et le stockage sous forme d’hydrates.
La production via le cycle thermochimique iode-soufre (I-S) est actuellement l’une des voies privilégiées pour produire industriellement l’hydrogène à partir de l’énergie nucléaire. Dans ce cycle, l’hydrogène est produit par une suite de réactions chimiques qui s’additionnent selon H2O → H2 + ½ O2. Les espèces intermédiaires sont toutes recyclées et l’énergie apportée au procédé pour son bon fonctionnement est principalement sous forme de chaleur. Les chercheurs de l’UCP ont étudié les propriétés thermodynamiques des mélanges électrolytiques rencontrés dans la colonne de distillation réactive où s’effectue la production d’hydrogène par la décomposition de l’acide HI en I2 et H2. Cette colonne de distillation permet à la fois de séparer I2 des autres espèces chimiques et de maximiser le rendement de la réaction de décomposition de HI. Nous avons pour cela utilisé l’équation d’état SAFT-VRE pour les solutions d’électrolytes, qui est basée sur une description des systèmes à l’échelle moléculaire. Le modèle SAFT-VRE permet de bien modéliser les équilibres de phase, avec un nombre restreint de paramètres ajustés. L’un des avantages de ce modèle est de pouvoir prédire les équilibres à haute pression et la densité des phases.
Dans le cadre du stockage par adsorption, l’hydrogène est adsorbé dans des matériaux poreux de nouvelle génération ayant des spécificités structurales parfaitement adaptées aux processus physiques de capture et de restitution du gaz. Ces matériaux qui ont récemment vu le jour sont des édifices cristallins poreux en trois dimensions et possèdent en outre des densités extrêmement basses (0.17g.cm-3) ainsi que des grandes surfaces spécifiques (4200m2.g-1) qui les rendent particulièrement bien adaptés à l’adsorption et au stockage embarqué dans des conditions de température et de pression raisonnables. L’étude menée concerne la synthèse et la caractérisation des matériaux ainsi que l’adsorption de l’hydrogène dans ces composés entre 77 et 350 K, sur un intervalle de pression compris entre 10-2 mbar et 15MPa.
Le stockage sous forme d’hydrates de gaz est une des voies envisagées pour améliorer l’efficacité énergétique, la sécurité et la qualité environnementale de la filière hydrogène. Les hydrates de gaz sont des structures solides formées de molécules d’eau assemblées en motifs géométriques formant des cages dans lesquelles les molécules de gaz sont insérées. Des additifs promoteurs sont utilisés pour stabiliser la structure dans un domaine de pression et de température compatible avec une application pratique. On peut ainsi former des hydrates d’hydrogène stables au dessus de 0 °C sous 100 bar. Le programme de recherche mené à l’UCP vise à déterminer les conditions de formation et de décomposition des différents hydrates capables de stocker de l’hydrogène. Cela comprend l’étude des conditions de stabilité thermodynamique (P, T, x) des solides formés, des aspects énergétiques et cinétiques associés à leur formation et à leur décomposition et, enfin, de la quantité de gaz stockable dans chaque structure. Plusieurs nouveaux additifs promoteurs ont été découverts au cours de cette étude, laissant entrevoir une capacité de stockage accrue dans des domaines de température très proches de l’ambiante (entre 12 et 30°C). Un nouveau concept, le stockage hybride, est actuellement à l’étude. Il consiste à associer au stockage physique de l’hydrogène moléculaire dans la structure hydrate, un stockage additionnel sous forme d’hydrogène lié chimiquement et qui pourrait être libéré par une réaction d’hydrolyse.