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Stockage de l’hydrogène par absorption sur hydrures métalliques

Contexte

Considéré comme un vecteur énergétique d’avenir, l’hydrogène peut être stocké sous forme gazeuse, liquide ou solide. Les densités de stockage volumique les plus élevées sont actuellement obtenues par le stockage hyperbare ou mieux avec le stockage solide sous forme d’hydrures métalliques (éponge à hydrogène). Cette dernière forme offre un mode de stockage réversible et sécuritaire avec des pressions de fonctionnement souvent inférieures à 10 bars.

Aspect industriel

Le stockage stationnaire de l’hydrogène est un maillon de la chaîne de conversion des énergies renouvelables (photovoltaïque, éolien) qui permet une gestion de leur intermittence. C’est un des créneaux choisi par McPhy Energy SA créée en 2008. Le CNRS et l’Université Joseph Fourier ont concédé à la société McPhy Energy une licence sur brevets et savoir-faire dans le domaine de la synthèse de matériaux à base de magnésium pour le stockage d’hydrogène et leur utilisation dans des réservoirs. Un contrat de collaboration portant sur le développement de ces résultats a été mis en place dans le cadre d’un partenariat CNRS / UJF / McPhy Energy SA.

La collaboration LEGI / Institut Néel / CRETA

L’hydrogène est stocké par absorption sur un hydrure de magnésium développé au CRETA par des chercheurs de l’Institut Néel. Le matériau mis au point a nécessité de longues recherches pour augmenter sa cinétique d’absorption et rendre ainsi le temps caractéristique d’absorption comptable avec les applications visées. Par ailleurs, la réaction d’absorption de l’hydrogène sur de l’hydrure de magnésium est une réaction extrêmement exothermique qui dégage une énergie représentant environ un tiers du pouvoir combustible (PCI) de l’hydrogène. La chaleur dégagée doit impérativement être extraite de l’intérieur du réservoir contenant l’hydrure, faute de quoi, l’élévation de température qui en découlera diminuera la vitesse d’absorption de façon critique.

La collaboration entre le LEGI et l’Institut Néel est née en 2005 sur le thème de la compréhension et de l’amélioration des transferts thermiques, de leur simulation et, plus généralement, de l’identification des mécanismes mis en jeu au niveau des écoulements d’hydrogène et des transferts de chaleur.

Plusieurs prototypes de réservoirs ont ainsi été développés dans le cadre de contrats européens et d’aides de la Région Rhône-Alpes.

Plus récemment, dans le but de récupérer la chaleur de réaction afin de la restituer au réservoir lors de la désorption, un nouveau type de réservoir muni d’un système de récupération de la chaleur par matériau à changement de phase (MCP) a été mis au point avec le soutien de l’Institut Carnot - Energies du Futur.

Visite en images

Disque Hydrure-Magnesium {JPEG}
Figure : Exemple d’empilement de disque d’hydrure de magnésium compacté à 1t/cm2.

Simulation {JPEG}
Figure : Simulation numérique de la réaction d’absorption : représentation du champ de température

Réservoir {JPEG} Réservoir {JPEG}

Figure : Réservoir développé dans le cadre du projet européen NessHy : à gauche, les 3 résistances électriques permettent d’apporter la chaleur consommée par la réaction d’absorption, le tube central permet la circulation d’air comprimé pour le refroidissement lors de l’absorption. A droite, vue de l’empilement des disques d’hydrure de magnésium : les disques de cuivre intercalés aident au transfert radial de chaleur.

Couplage Réservoir / Pile {JPEG}
Figure : Couplage du réservoir NessHy avec une pile à combustible de type PEMFC fabriquée par Hélion.

Réservoir {JPEG}
Figure : Réservoir incluant un matériau à changement de phase développé dans le cadre du projet Carnot.

Articles de presse

Article de presse
Le Dauphiné Libéré
Article de presse
L’Usine Nouvelle

Les fruits de la collaboration en chiffres

- 2 brevets
- 3 projets européens (HYSTORY, NessHy, NanoHy)
- 1 projet MANUNET (France-Italie)
- 10 publications et communications dans des Revues ou Conférences Internationales

Brevets

P. de Rango, A. Chaise D. Fruchart, Ph. Marty, S. Miraglia : Réservoir pour le stockage de l’hydrogène dans les composites MgH2/GNE, brevet CNRS WO2009080975 déposé le 10/12/07, n° F 0759690.

D. Fruchart, P. de Rango, Ph. Marty, S. Miraglia, A. Chaise, S. Garrier, M. Jehan, G. Bienvenu : Réservoir d’hydrure utilisant la chaleur latente d’un matériau métallique à bas point de fusion pour stocker la chaleur de réaction d’hydruration, brevet FR08 07087 CNRS/UJF , 2008

Articles de revues

Marty Ph. , J.-F. Fourmigue, P. De Rango, D. Fruchart, J.Charbonnier : Numerical Simulation Of Heat And Mass Transfer During The Absorption Of Hydrogen In A Magnesium Hydride, Energy Conversion and Management , Vol. 47, p.3632-3643 (2006).

A. CHAISE, Ph. MARTY, P. DE RANGO, D. FRUCHART : Numerical study of heat and mass transfer in a doped-magnesium hybride tank, Mécanique & Industries, Vol. 8, p.247-250, 2007.

M. Botzung, S. Chaudourne, Ch. Perret, M. Latroche, A. Percheron-Guegan and Ph. Marty, Development and simulation of a hydrogen storage unit using metal hydrides, Mécanique & Industries, Vol.8, p.241-246, 2007.

G. Hermosilla-Lara, G. Momen, Ph. Marty, B. Le Neindre, K. Hassouni : Hydrogen storage by adsorption on activated carbon : investigation of the thermal effects during the charging process, Int. J. of Hydrogen Energy, Vol.32, p.1542-1553, 2007.

Madrid F., Caney N., Marty P. : Study of a vertical boiling flow in rectangular mini-channels, Heat Transfer Engineering, 28 (8–9):753–760, 2007.

De Rango P., Chaise A., Charbonnier J., Fruchart D., Jehan M., Marty P., Miraglia S., Rivoirard S., Skryabina N. : Nanostructured magnesium hydride for pilote tank development, J. of Alloys and Compounds, 446 (2007) p.52–57

Botzung M., Chaudourne S., Gillia O. , Perret Ch., Latroche M., Percheron-Guegan A., Marty Ph. : Simulation and experimental validation of a Hydrogen storage tank with Metal Hydrides, Volume 33, Issue 1, Pages 98-104, Int. J. Hydrogen Energy, 2008.

Chaise A., Marty Ph., de Rango P., Fruchart : D. : A simple criterion for estimating the effect of fluid convection during hydrogen absorption, International Journal of Heat and Mass Transfer, 52 (2009) 4564–4572.

G. Momen, G. Hermosilla, A. Michau, M. Pons, M. Firdaous, Ph. Marty, K. Hassouni : Experimental and numerical investigation of the thermal effects during hydrogen charging in packed bed storage tank, Int. J. Heat and Mass transfer, 52, 1495–1503, 2009.

A. Chaise, P. de Rango, Ph. Marty, D. Fruchart, S. Miraglia, R. Olivès, S. Garrier : Enhancement of hydrogen sorption in magnesium hydride using expanded graphite, Int. J. Hyd. Energy. 34 (2009) 8589–8596.

A. Chaise, P. de Rango, Ph. Marty, D. Fruchart : Experimental and numerical study of a magnesium hydride tank, Int. J. Hyd. Energy, 3 5 ( 2 0 1 0 ) 6311 - 6322.