Un nouvel alliage de magnésium promet une amélioration significative
L’hydrogène. L’élément le plus répandu au monde, et peut‑être le plus prometteur dans la lutte contre les changements climatiques. Grâce à ses propriétés chimiques surprenantes, cet élément abondant est un combustible à la fois pour les moteurs à combustion et pour les piles à combustible, ce qui offre la possibilité d’une solution de rechange vraiment propre à plusieurs des moteurs et des machines industrielles fonctionnant aux combustibles fossiles qui sont actuellement utilisés. Cependant, il s’écoule généralement un certain temps entre le moment où l’hydrogène est produit et celui où il est utilisé, et il doit donc être stocké.
En pratique, lorsque nous pensons au stockage de l’hydrogène aujourd’hui, la plupart d’entre nous pensent à de grands cylindres en acier contenant du gaz comprimé ou du liquide refroidi. C’est ainsi que l’on procède depuis des décennies, et les utilisations industrielles actuelles de l’hydrogène reposent sur cette technologie. Le stockage de l’hydrogène sous forme gazeuse nécessite généralement des réservoirs à haute pression (soit une pression de 35 à 70 MPa). Le stockage de l’hydrogène sous forme liquide, quant à lui, nécessite des températures cryogéniques, car le point d’ébullition de l’hydrogène à une pression de 1 atmosphère est de −252,8 °C. Aucune de ces options n’est idéale pour une utilisation généralisée.
Mais il y a un autre moyen! L’hydrogène peut également être stocké sous forme solide dans un hydrure métallique. Pensez‑y comme à une batterie d’hydrogène. Il s’agit d’un milieu de stockage plus sûr et plus rentable, car il élimine les difficultés de maintenir froid un liquide, ou les problèmes de sécurité liés aux réservoirs à haute pression.
Le concept de stockage de l’hydrogène dans un métal (appelé hydrure) n’est pas nouveau. On l’explore depuis des décennies, mais tous les métaux ne s’y prêtent pas. Tout d’abord, l’hydrogène doit pouvoir « recharger » le métal de manière relativement rapide. Deuxièmement, il doit se « décharger » à un rythme qui le rende utilisable pour des applications concrètes. Troisièmement, il doit être capable de supporter un nombre élevé de cycles de charge/décharge. Enfin, il doit être pratique : pas trop lourd (par unité d’énergie) et pas trop encombrant (d’une bonne densité énergétique).
S’appuyant sur des décennies d’expérience dans la recherche sur l’hydrogène et les isotopes d’hydrogène, ainsi que sur le développement de catalyseurs, la talentueuse équipe de la Direction des technologies de l’hydrogène des LNC a récemment réalisé une percée qui semble répondre à tous ces critères : un alliage à base de magnésium. En termes simples, un catalyseur est utilisé pour lier l’hydrogène à l’alliage et, lorsqu’il est chauffé, l’hydrogène est libéré.
« Bien que la chimie spécifique reste une partie de notre “recette secrète” pour ainsi dire, nous avons mis au point un composite à base de magnésium qui se révèle être un matériau très prometteur pour le stockage de l’hydrogène, explique Brian Ellis, chercheur scientifique. Ce n’était pas notre première tentative. Nous avons expérimenté divers alliages pendant quelques années, en nous appuyant sur les recherches menées en association avec le groupe de diffusion des neutrons au NRU, avant de choisir le matériau actuel. »
Ce nouvel alliage mis au point par l’équipe des LNC est capable de stocker un peu plus de 6 % de son poids en hydrogène. Cela représente un défi pour certaines applications, mais offre des possibilités pour d’autres. Par exemple, une voiture particulière fonctionnant à l’hydrogène doit à l’heure actuelle transporter environ dix kilogrammes d’hydrogène (sous forme de gaz comprimé) pour permettre sa pleine autonomie. Ces mêmes 10 kilogrammes d’hydrogène stockés dans du métal pèseraient plus de 150 kilogrammes. Ce poids est beaucoup trop élevé pour les petits véhicules à passagers, mais peut représenter un avantage pour les équipements lourds. Certains véhicules industriels – les charriots élévateurs à fourche, par exemple – nécessitent des contrepoids lourds pour rester en équilibre lorsqu’ils déplacent des charges lourdes. Ces contrepoids, s’ils étaient constitués d’un hydrure métallique, pourraient servir de source d’énergie pour la pile à combustible à bord. Gagnant‑gagnant. Bien entendu, dans le cas des sources d’énergie stationnaires, par exemple un générateur ou une batterie industrielle, le poids n’est plus une considération essentielle. L’alliage peut également être produit sous différentes formes – plaques, pastilles, poudres – en fonction de son utilisation finale.
Autre avantage – la durabilité. Les matériaux formant cet alliage sont tous facilement accessibles. En comparaison avec certains matériaux des terres rares ou le lithium, utilisés dans la technologie actuelle des batteries, le stockage d’énergie (sous forme d’hydrogène) dans un alliage de magnésium est une approche beaucoup plus durable. Dans le cadre d’un projet financé par le Plan de travail fédéral sur les activités de science et technologie nucléaires administré par EACL, l’équipe a mis son nouveau métal à l’épreuve. Avec l’aide de Mark Dunham, chercheur scientifique, l’équipe a automatisé les essais du nouvel alliage afin de respecter les normes de rendement informelles établies par le département de l’Énergie (DOE) des États‑Unis, la capacité étant maintenue à plus de 95 % pour les applications de manutention des matériaux. Quelle est donc l’étape suivante? Accroitre l’ampleur des essais et travailler à l’augmentation de la quantité produite pour atteindre un objectif volumétrique de 1 mètre cube d’hydrogène. Cela équivaut à peu près à 1 kWh d’électricité.
« Il s’agit vraiment d’une percée passionnante, explique Gordon Burton, gestionnaire de la Direction des technologies de l’hydrogène. Bien qu’il n’en soit qu’à ses débuts, le concept démontré par l’équipe ouvre la voie à de nouvelles possibilités et applications pour fournir une énergie propre aux véhicules industriels ou même aux édifices résidentiels stationnaires. Une solution de stockage sure et simple comme celle‑ci facilite à la fois la production d’hydrogène, peut‑être à l’échelle individuelle ou résidentielle, et son utilisation. Nous avons les connaissances, les installations et le désir de voir ce projet prometteur aller de l’avant. »
