CFM 2019

Observations et modélisation de l'hydruration des alliages métalliques pour le stockage d'hydrogène sous forme solide
Ludovic Bebon  1, *@  , Anne Maynadier  1@  , David Chapelle  1@  , Frederic Thiebaud  1@  
1 : Femto-st/Département Mécanique Appliqué
Université de Franche-Comté
24 rue de l'épitaphe 25000 Besançon -  France
* : Auteur correspondant

L'augmentation de la demande en énergie, et la nécessité de rendre sa production et son utilisation neutre pour l'environnement, requiert le développement de nouvelles technologies. Une partie des sources d'énergie renouvelable telle que les éoliennes ou les panneaux photovoltaïques, fonctionne de façon intermittente et est souvent déphasée vis-à-vis de la demande. Le vecteur hydrogène constitue un complément pertinent à ces sources d'énergies intermittentes, permettant un stockage d'énergie et une restitution sur demande. Le dihydrogène produit par électrolyse lors des phases de sous consommation, peut être stocké sous forme gazeuse, liquide ou par voie solide. Le stockage sous forme solide de l'hydrogène permet de travailler à des pressions plus basses que le stockage par compression du gaz et à des températures proches de l'ambiante minimisant les exigences d'isolation thermique inévitables en stockage liquide. Les masses mises en jeux restent pénalisantes pour le développement du stockage solide, de ce fait nous considérons de nouveaux alliages de densité 30 à 40 % plus faible. Dès son introduction dans le conteneur, le matériau de stockage est sous forme de poudre pour favoriser, par l'augmentation des surfaces libres, les échanges gazeux. Lors des cycles de remplissage - vidange, le matériau subi de forts changements de volume successifs. Pendant ces « respirations », les particules de matière se fracturent, modifiant la granulométrie. Il s'ajoute une ségrégation par gravité qui amène les particules plus petites à s'écouler vers le bas. La combinaison de la ségrégation gravitaire et de la respiration génère sur le réservoir des contraintes cycliques pouvant induire la plastification des matériaux constitutifs du conteneur puis leur rupture. Les travaux présentés focalisent sur la compréhension de la décrépitation lors des premiers cycles d'absorption. Lors d'une augmentation de pression, l'absorption débute : les molécules de dihydrogène se dissocient en surface des particules puis les atomes diffusent dans le matériau. La solution solide, atteint un équilibre, fonction de la température, entre la pression de gaz et la concentration en hydrogène atomique au sein du cristal. Au-delà d'un seuil de saturation, un réarrangement atomique s'opère, la maille cristalline se réorganise par changement de phase. Lors du changement de phase, le volume de la maille augmente fortement, jusqu'à 20 %. Un banc d'observation du matériau granulaire pendant les cycles d'absorption et désorption d'hydrogène a été mis en place afin de visualiser le matériau pendant les changements de phase et sa décrépitation. Nous observons à l'échelle du grain les écarts de volume entre un matériau en phase hydrurée ou en phase non-hydruré, déjà observé à l'échelle de la maille cristalline. Ce dispositif permet de comparer le comportement de différents intermétalliques déjà utilisés dans les conteneurs dans des conditions proches des conditions d'utilisation. Parallèlement, une modélisation d'une particule de poudre par la méthode des éléments discrets est en cours afin de faire le lien entre les paramètres de diffusion et le comportement des grains. Cette modélisation étudie l'initialisation de l'hydruration et met en concurrence le modèle de l'enveloppe contractante ou le modèle de germination/croissance de l'hydrure.


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