Soutenance mémoire
Les énergies alternatives et l’hydrogène
À l’arrivée du 21 e siècle, l’humanité doit faire face à deux problèmes collectifs: la future pénurie en combustibles fossiles et les émissions de gaz à effet de serre. Il faut s’efforcer de trouver des solutions alternatives, pour permettre aux générations futures de vivre dans un climat sain et équilibré. Pour ce faire, la mentalité des décideurs et de la population doit changer pour permettre le développement de nouvelles technologies vertes. Dans les pays industrialisés, plus d’un tiers de l’énergie générée annuellement est utilisée pour alimenter les bâtiments et un autre tiers est utilisé pour transporter les humains et la marchandise [1]. Pour l’ instant, la combustion de l’essence et l’électricité demeurent les principales méthodes pour fournir de l’ énergie au transport. Ce besoin en transport continuera certainement à augmenter d’ ici les prochaines années avec la mondialisation et le développement de la Chine. Si les gouvernements et les compagnies pétrolières ne changent pas leurs visions, la demande en pétrole continuera à croître et l’environnement mondial subira des dommages importants et irréversibles. Cependant pour effectuer ce virage écologique, des investissements importants devront être faits et les mentalités devront changer. « Les énergies renouvelables ont des coûts de capitaux plus élevés que les combustibles fossiles, c’est pourquoi l’ investissement nécessaire pour accroître la puissance installée des énergies renouvelables est très lourd: le total est estimé à 5 700 milliards de dollars (au cours de 2009) sur la période 2010-2035 » [2].
Les énergies vertes Sur Terre, il existe plusieurs sources d’énergies renouvelables, telles que l’ hydroélectricité, l’ énergie solaire, l’énergie éolienne, la biomasse, la géothermie et la marémotrice. L’hydroélectricité a l’avantage d’ utiliser l’eau, une ressource pratiquement illimitée sur la Terre. Cependant, la construction de barrages hydroélectriques est coûteuse, exige une configuration géographique particulière et provoque un impact environnemental considérable. Bien qu’ intermittents, les rayons du soleil procurent une importante source d’énergie qui ne coûte rien. Toutefois, les panneaux solaires sont dispendieux, fragiles et demandent beaucoup d’espace. L’éolien représente une bonne source d’énergie fiable à certains endroits et l’ entretien d’une éolienne ne compromet pas tout le réseau. Par contre, les sites à rendement élevé sont limités, la densité d’énergie de l’éolien est faible et l’ impact visuel es.t non négligeable. La biomasse constitue principalement l’ utilisation de matières organiques ou animales comme source d’ énergie. Malgré sa très faible densité d’ énergie, elle a l’avantage d’utiliser des résidus et des déchets. En ce qui concerne la géothermie, bien que les sites soient limités et que l’ installation soit coûteuse, elle reste néanmoins une source d’énergie non toxique et très fiable à court terme. Quant à l’énergie marémotrice, des turbines placées au fond de l’eau tournent grâce aux courants marins et cette énergie mécanique est convertie en énergie électrique. Les marées et les courants marins sont constants et prévisibles à long terme, donc c’est une source d’énergie fiable comparativement aux énergies éolienne et solaire. Cependant, les hydroliennes ont un impact négatif sur la faune et la flore aquatique.
L’hydrogène représente un vecteur énergétique, car c’est l’énergie qu’ il contient qui sera utilisée comme c’est le cas pour l’ électricité. Cependant, contrairement à l’ électricité, l’hydrogène peut être stocké en grandes quantités. L’hydrogène n’est pas une source d’ énergie, car il n’ existe pas à l’ état naturel sur notre planète telle que le pétrole ou le gaz naturel. Il faut libérer l’hydrogène des composés chimiques (eau et hydrocarbures) dans lequel il est lié. De manière générale, il y a plusieurs façons de le faire: le vapo-reformage du gaz naturel, l’ électrolyse de l’eau, la gazéification de la biomasse et du charbon, l’oxydation partielle des hydrocarbures ou les procédés expérimentaux (lumière du soleil, décharge de plasma, micro-organismes). L’hydrogène est souvent considéré comme étant un vecteur énergétique propre, mais cela dépend fortement de l’ énergie primaire utilisée pour le produire [3]. Actuellement, l’hydrogène est produit industriellement à 95 % par le reformage du gaz naturel [4]. Ce procédé cause d’importantes émanations de C02 dans l’air et c’est pourquoi la production de l’hydrogène reste encore un axe de recherche important.
Le stockage de l’hydrogène
L’hydrogène est un vecteur énergétique qui pourra éventuellement être utilisé dans le transport. Mais, pour ce faire, il faut absolument le stocker de manière sécuritaire et optimale. Le stockage de l’hydrogène peut être soit chimique ou physique. Le stockage chimique représente l ‘hydrogène dans un état lié chimiquement avec d’ autres atomes comme pour l’eau (H20), le méthane (CH4) , l’ammoniac (NH3), etc. Sur Terre, la quasi-totalité de l’hydrogène se retrouve sous forme chimique dans l’eau et les hydrocarbures. Il faut alors trouver une façon rentable et écologique de dissocier l’hydrogène de ses molécules. Quant au stockage physique, c’est le stockage de l’hydrogène pur après sa production. Il peut se réaliser essentiellement de trois manières différentes, soit gazeuses, liquides ou solides. L’ objectif est de rendre viable la façon qui stocke la plus grande quantité d’hydrogène selon l’application. Dans le contexte actuel, pour parcourir une distance entre 400 et 500 km, il faut stocker environ 8 kg d’hydrogène en mode combustion et 4 kg avec une pile à combustible à bord [3, 11]. Considérant que 1 kg d’hydrogène occupe un volume de Il m3 à température ambiante et pression atmosphérique, un réservoir de stockage dense et sécuritaire est nécessaire. Un exemple de plusieurs types de réservoirs est illustré à la Figure 1 en comparaison avec une voiture.
Stockage liquide Actuellement, le plus gros consommateur d’hydrogène liquide est sans contredit l’aérospatiale. En effet, les fusées sont propulsées dans l’espace par ce carburant. Les principaux problèmes de ce type de stockage sont l’évaporation, l’énergie nécessaire pour liquéfier l’hydrogène, le volume, la masse et le coût de ces réservoirs. Une propriété atomique qui influence la liquéfaction du dihydrogène est le spin. Si les spins des deux protons sont parallèles, la molécule est appelée orthohydrogène. Dans le cas où les spins sont opposés, la molécule est nommée parahydrogène. Ces deux formes d’hydrogène ont des propriétés légèrement différentes. Aux conditions normales, l’hydrogène moléculaire est un mélange d’ortho et de para respectivement d’environ 75 et 25 % volumique. Avec la réduction de la température, la concentration de parahydrogène augmente et atteint 100 % en dessous de -200 oC [5]. Le parahydrogène a un niveau d’énergie inférieur à l’orthohydrogène, donc durant la liquéfaction de l’hydrogène, de l’énergie supplémentaire doit être dissipée pour convertir l’ortho en para. La conversion de l’hydrogène d’ortho à para est alors une réaction exothermique qui entraîne une perte d’énergie. L’hydrogène doit atteindre une température de -71 oC avant de pouvoir être liquéfié par effet Joule-Thompson. Plus de détails sur la liquéfaction de l’hydrogène sont présentés dans [5].
L’hydrogène liquide doit être maintenu à une température de -253 oC à pression atmosphérique. Dans ces conditions, la densité de l’hydrogène liquide est considérablement plus élevée (environ 800 fois plus dense que le gaz à température ambiante [13]) que sa forme gazeuse compressée. Étant donné la basse température d’opération de l’hydrogène liquide, il nécessite un apport énergétique important et un système complexe de réservoirs. Le transfert de chaleur (conduction, convection et radiation) dans le réservoir doit être minimisé. Par conséquent, les systèmes consistent en un réservoir intérieur et extérieur séparés par une couche isolante sous vide qui limite la conduction et la convection de la chaleur. Cette couche isolante est faite de plusieurs sous-couches de feuilles d’aluminium alternées de fibres de verre pour empêcher la radiation. À la Figure 3, un exemple de système de stockage d’hydrogène liquide est exposé.
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Table des matières
Liste des figures
Liste des tableaux
Introduction
Chapitre 1 : Les énergies alternatives et l’hydrogène
1.1 Les énergies vertes
1.2 Pourquoi l’hydrogène?
Chapitre 2 : Le stockage de l’hydrogène
2.1 Stockage gazeux
2.2 Stockage liquide
2.3 Stockage solide
2.3.1 Matériaux à haute surface spécifique
2.3.2 Hydrures complexes
2.3.3 Hydrures métalliques
2.3.3 .1 Les déformations plastiques sévères
Chapitre 3 : Méthodologie et présentation des résultats
3.1 Synthèse et caractérisation des matériaux
3.1 .1 Le broyage mécanique
3.1.2 Le laminage à froid
3.1.3 La titration de l’hydrogène
3.1.4 La diffractométrie des rayons X
3.1.5 La microscopie électronique à balayage
3.2 Résultats
3.2.1 Morphologie
3.2.2 Cristallographie
3.2.3 Cinétiques d’absorption et de désorption de l’hydrogène
3.2.4 Cinétiques de sorption de l’hydrogène pour différents échantillons laminés 12x à l’air
Chapitre 4 : Résumé de l’ article
4.1 Résumé de l’ article
4.2 L’ article
Conclusion
Bibliographie
Appendice A : Structure hexagonale compacte
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