Stockage d'hydrogène

Un moyen de diminuer le volume d'un gaz à température constante est d'augmenter sa pression (cf. la loi de Boyle-Mariotte). Avec la technologie actuelle on sait fabriquer des réservoirs désormais l'hydrogène sous une pression de 200 bars^[3]. A cette pression l'hydrogène possède une densité de 11 kg/m³, soit un gain d'un facteur supérieur à mille comparé à sa densité à pression et température ambiantes. Néanmoins dans ces conditions le volume indispensable pour stocker «nos» 4 kg d'hydrogène^[4] serait toujours de 360 litres (à peu près le volume de deux baignoires).
Des réservoirs capables de supporter des pressions de 450 bars en usage régulier sont en train d'être développés et le volume occupé par l'hydrogène serait divisé par deux.

Bus avec un moteur à combustion interne fonctionnant à l'hydrogène, circule sur la ligne 309 de la ville de Berlin. Le bus est pourvu de dix réservoirs chacun stockant 50kg d'hydrogène gazeux à 350bar. Le bus pèse ∼18T, peut transporter 80 personnes ainsi qu'à une autonomie d'environ 220km

Sous forme liquide

L'hydrogène sous forme liquide (LH2) possède une densité de 70, 8 kg/m³, dans ces conditions le volume du réservoir indispensable pour stocker «nos» 4 kg d'hydrogène^[5] serait de 60 litres soit le volume des réservoirs des voitures à essence actuels. Néanmoins pour être à l'état liquide, l'hydrogène doit être porté à une température de -240 à -250 °C ! Donc, pour être utilisés, de tels réservoirs doivent être équipés d'importants dispositifs secondaires pour maintenir l'hydrogène à cette température et pour limiter les pertes par vaporisation. Une autre limitation de cette technologie est l'important coût énergétique indispensable à la liquéfaction de l'hydrogène.

Le stockage «sur» des composés solides (adsorption)

L'adsorption est un phénomène physico-chimique qui consiste en l'«immobilisation» d'un composé sur la surface d'un autre. L'hydrogène peut se fixer sur la majorité des surfaces solides mais presque seul l'adsorption sur des surfaces de carbone est envisagé pour des applications technologiques. Cette méthode pour le stockage d'hydrogène n'en est à l'heure actuelle qu'aux premières phases de recherche.
Pour que cette méthode soit intéressante il faut pouvoir développer des matériaux avec de grandes surfaces spécifiques. L'utilisation de nanotubes de carbone est aussi envisagée mais l'un des principaux freins actuels est que ceux-ci n'absorbent l'hydrogène qu'à particulièrement basse température (-196 °C). Dans l'ensemble des cas, les résultats actuels sont toujours trop parcellaires pour pouvoir présager de leur devenir.

Le stockage «dans» des composés solides (hydrures)

La classe des hydrures est la famille des composés qui comportent de l'hydrogène et dont ce dernier possède une polarisation négative assez à l'élément du composé auquel il est lié. On peut classer les hydrures selon la nature de la liaison principale^[6] entre l'hydrogène et l'autre élément. Les hydrures sont dits covalents lorsque la liaison est de type covalent. C'est le cas des hydrures les plus communs tels que l'eau (H₂O), l'ammoniac (NH₃), le méthane (CH₄). Les hydrures sont dits métalliques lorsque la liaison est de type métallique.

Hydrures métalliques

Plusieurs métaux purs ou alliages sont capables d'absorber^[7] de l'hydrogène en leur sein. Le composé métallique agit légèrement comme une éponge à hydrogène. Dans les hydrures métalliques l'hydrogène est stocké sous forme atomique (H) et non plus moléculaire (H₂) comme dans le cas précédent des réservoirs. L'absorption d'hydrogène (aussi nommée hydruration) peut être effectué par l'intermédiaire du gaz dihydrogène (H₂) dissocié en deux atomes d'hydrogène (H) à une température et pression données et caractéristiques du matériau absorbant. L'absorption d'hydrogène peut aussi être effectué à température et pression ambiante par voie électrochimique et plus exactement par électrolyse de l'eau.
La capacité de stockage des hydrures métalliques peut être particulièrement importantes puisque l'alliage Mg₂ FeH₆ «stocke» 150 kg d'hydrogène par m³. Un réservoir de 26 litres serait alors suffisant pour «nos» 4 kg d'hydrogène. Néanmoins la densité volumique ne suffit pas, il faut que l'alliage qui a absorbé l'hydrogène puisse le désorber (relâcher) dans des conditions acceptables^[8]. En effet, pour être utilisé dans des applications mobiles, les hydrures métalliques reconnus doivent avoir des températures et des pressions d'équilibre compatibles avec les dites applications (entre 1 et 10 bar pour la pression, entre 0 °C et 100 °C pour la température). Plusieurs familles d'hydrures d'alliages intermétalliques sont envisagées et envisageables : les AB₅ (LaNi₅…)  ; les AB₂ (ZrV₂)  ; les A₂B (Mg₂Ni) … Il faut signaler que les alliages dérivés de LaNi₅ sont les alliages utilisés dans les batteries rechargeables Nickel-Hydrure Métallique (Ni-MH) dont plusieurs millions d'unités sont commercialisées à travers le monde chaque année.

Hydrures complexes

Les métaux alcalins, lorsqu'il s sont associés à un élément du groupe 13 (p. ex. bore ou aluminium) et d'hydrogène peuvent former des structures polyatomiques qu'on appelle des complexes.
Les hydrures complexes les plus intéressants pour le stockage d'hydrogène sont les tétrahydroborates M (BH₄) et les tétrahydroaluminates ou alanates M (AlH₄). Afin d'avoir un rapport massique entre l'hydrogène stocké et la masse totale du composé «stockant» le plus élevé envisageable, M représente fréquemment le lithium ou le sodium (LiBH₄, NaBH₄, LiAlH₄, NaAlH₄). À ce jour, le composé LiBH₄ possède la plus grande densité massique d'hydrogène (18%). Cependant, la cinétique de stockage était jusqu'à peu assez défavorable (température surtout) ^[9]. Dans ces hydrures complexes, l'hydrogène occupe les sommets d'un tétraèdre dont le centre est occupé par un atome d'aluminium ou de bore. Ces tétraèdres portent une charge négative qui est compensée par la charge positive des cations Li⁺ ou Na⁺.

Les principes du stockage et de la libération d'hydrogène sont différents dans le cas des hydrures complexes de ce qu'ils sont pour les hydrures métalliques. En effet, le stockage s'effectue pour les premiers lors d'une réaction chimique et non pas par «simple» occupation des «vides» de la structure comme dans le cas des hydrures métalliques. Pour l'alanate de sodium, le mécanisme de libération de l'hydrogène se représente comme suit :
6 NaAlH₄ -> 2 Na₃AlH₆ + 4 Al + 6 H₂ -> 6 NaH + 6 Al + 9 H₂
Jusqu'à la fin des années 90 et l'utilisation de catalyseurs à base de titane ^[10], la réaction inverse c'est-à-dire de stockage de l'hydrogène n'était pas envisageable dans des conditions modérées. Cette découverte permet d'envisager leur utilisation pour le stockage d'hydrogène des applications mobiles : une trentaine de kilogrammes d'hydrures complexes suffirait en effet à héberger les 4 kg d'hydrogène déjà évoqués.

Autres possibilités

D'autres types d'hydrures peuvent être envisagés. Par exemple la famille des amino-boranes (NH_xBH_x) forme une voie prometteuse puisque ces derniers peuvent théoriquement absorber plus de 20% en masse. Le composé NH₄BH₄ peut absorber 24.5% en masse mais il est instable au-dessus de -20 °C ce qui le rend peu pratique. Par contre le composé NH₃BH₃ (20%) est stable dans les conditions normales et nécessite des températures modérées pour relâcher l'hydrogène, ce qui le rend potentiellement plus intéressant ^[11].