Academic literature on the topic 'Hydrogène (combustible) – Stockage'

Le travail effectué a commencé par une étude approfondie de la bibliographie sur l'application des hydrures métalliques comme matériau de stockage solide de l'hydrogène. Cette étude a permis de cerner deux familles de composés intermétalliques aptes à répondre à la demande de l'application envisagée : les composés de type AB5 avec une composition MmNi5-xSnx (Mm appelé mischmetal, est un mélange de La, Ce, Nd et Pr obtenu directement à partir du minerai) ainsi que les composés de type AB2 avec une composition Zr1-pTipMn2-r-sNirVs. Dans un deuxième temps, nous avons cherché à optimiser les propriétés d'absorption de l'hydrogène en jouant sur la composition et la structure de ces matériaux. En outre, une étude de cinétique et de vieillissement en cyclage a été faite. A partir des résultats expérimentaux obtenus, nous avons pu déterminer de nouvelles relations composition - structure - propriétés thermodynamiques afin de pouvoir adapter d'autres types de compostions au cahier des charges
The work bas started with a thorough study of tbe bibliography on the metal hydrides application as hydrogen storage materials in solid gas process. This study has made possible to determine two familles of intermetallic compounds able to reach the needs of the specific application: the AB5-type compounds with MmNi5-xSnx compositions (Mm stands for mischmetal, a mixture of La, Ce, Nd and Pr as well as tbe AB2-type compounds with Zr-pTipMn2-r-sNirVs compositions. In a second time we have tried to optimise hydrogen absorption properties by modifying the alloy composition and structure. Moreover, a study of the kinetics and ageing during cycling was made. From the experimental results, new relations composition - structure - thermodvnamic properties bave been determined in order to adapt other types of hvdrogen storage materials to the specifications

Le stockage d'hydrogène reste un défi pour son utilisation comme carburant dans les applications mobiles. Malgré une masse élevée, le stockage dans les hydrures métalliques présente des avantages en terme de sécurité et de capacité volumique. Dans ce travail, plusieurs familles d'hydrures ont été étudiées pour répondre au cahier des charges d'un réservoir principal ou d'un réservoir tampon de démarrage à froid. Les propriétés thermodynamiques des hydrures type LaNi5 et TiFe ont été ajustées par le jeu de substitutions permettant d'obtenir des composés potentiellement utilisables dans ces deux types de réservoirs. Afin d'augmenter la capacité massique, l'influence de l'élément M sur les propriétés thermodynamiques d'hydrures plus légers de type solution solide Ti-V-M (M=Mn,Fe,Co,Ni) a été étudiée montrant de bonnes propriétés d'hydrogénation pour le composé au fer. Enfin, la découverte de la réactivité vis-à-vis de l'hydrogène du composé Ti3Si ouvre une nouvelle voie
Hydrogen storage remains an issue for its use in mobile applications. Despite its weight, storage in metal hydrides presents advantages in term of safety and volumic capacity. In this work, several families of hydrides have been studied to answer to the working conditions of a main tank or a buffer tank for cold start. The thermodynamic properties of LaNi5 and TiFe type hydrides have been adjusted by suitable substitutions allowing to obtain potentially usable compounds for both kinds of tanks. In order to increase the weight capacity, the effect of M element on thermodynamics properties of lighter hydrides based on Ti-V-M solid solutions (M=Mn, Fe, Co, Ni) has been studied showing the best hydrogenation properties for the Fe compound. Finally, the discovery of hydrogen reactivity of the Ti3Si compound opens new routes

Un système électrique isolé du réseau, uniquement alimenté par un générateur photovoltaïque nécessite un stockage d’énergie pour être autonome. La batterie au plomb est couramment utilisée à cet effet, en raison de son faible coût, malgré certaines contraintes de fonctionnement. On peut la remplacer par une unité de stockage (USEH) incluant un électrolyseur, une pile à combustible et un réservoir d’hydrogène. Mais il reste d’importants efforts à fournir avant de voir l’essor industriel de cette technologie dont les débouchés doivent être identifiés. Les applications stationnaires de quelques kW sont évaluées par simulation numérique. Un simulateur est développé dans l’environnement Matlab/Simulink, comprenant principalement : le champ photovoltaïque et le système de stockage (batteries au plomb, USEH, ou stockage hybride USEH/batteries). La taille des composants est calculée pour satisfaire l’autonomie du système sur une année de fonctionnement. Il est testé pour 160 profils de charge (1kW en moyenne annuelle) et trois situations géographiques (Algérie, France et Norvège). Deux coefficients sont mis en place pour traduire la corrélation entre la consommation de l’usager et la disponibilité de la ressource renouvelable, à l’échelle journalière et saisonnière. Parmi les cas testés, le coefficient de corrélation saisonnier montre une valeur limite permettant de préconiser le stockage le plus adapté au cas étudié. L’emploi de l’USEH au lieu de batteries au plomb peut conduire à accroître le rendement du système, à réduire la taille du champ photovoltaïque et à optimiser l’exploitation de la ressource renouvelable. Dans tous les cas testés, l’hybridation de l’USEH avec des batteries permet d’améliorer le dimensionnement et les performances du système, avec un gain sur le rendement de 10 à 40 % selon le lieu testé. La confrontation des résultats de simulation à des données de systèmes réels a permis de valider les modèles utilisés
Stand alone systems supplied only by a photovoltaic generator need an energy storage unit to be fully self-sufficient. Lead acid batteries are commonly used to store energy because of their low cost, despite several operational constraints. A hydrogen-based energy storage unit (HESU) could be another candidate, including an electrolyser, a fuel cell and a hydrogen tank. However many efforts still need to be carried out for this technology to reach an industrial stage. In particular, market outlets must be clearly identified. The study of small stationary applications (few kW) is performed by numerical simulations. A simulator is developed in the Matlab/Simulink environment. It is mainly composed of a photovoltaic field and a storage unit (lead acid batteries, HESU, or hybrid storage HESU/batteries). The system component sizing is achieved in order to ensure the complete system autonomy over a whole year of operation. The simulator is tested with 160 load profiles (1 kW as a yearly mean value) and three locations (Algeria, France and Norway). Two coefficients are set in order to quantify the correlation between the power consumption of the end user and the renewable resource availability at both daily and yearly scales. Among the tested cases, a limit value of the yearly correlation coefficient came out, enabling to recommend the use of the most adapted storage to a considered case. There are cases for which using HESU instead of lead acid batteries can increase the system efficiency, decrease the size of the photovoltaic field and improve the exploitation of the renewable resource. In addition, hybridization of HESU with batteries always leads to system enhancements regarding its sizing and performance, with an efficiency increase by 10 to 40 % depending on the considered location. The good agreement between the simulation data and field data gathered on real systems enabled the validation of the models used in this study

L'objectif de la thèse était d'étudier la faisabilité du stockage solide de l'hydrogène sous forme d'hydrure de magnésium (MgH2). Dans un premier temps la poudre de MgH2 activé a été caractérisée d'un point de vue cinétique, thermodynamique, et thermique. Les cinétiques d'absorption / désorption de l'hydrogène s'avèrent très sensibles à une exposition des poudres à l'air. La réaction d'hydruration, très exothermique, nécessite d'évacuer très rapidement la chaleur pour charger un réservoir dans un temps raisonnable. Afin d'augmenter la conductivité thermique, un procédé de mise en forme du matériau avec ajout de graphite naturel expansé (GNE) a été développé. Cette mise en forme permet d'obtenir des disques solides et usinables d'MgH2 activé de porosité réduite, présentant une densité volumique de stockage deux fois plus élevée que la poudre libre, et dont la manipulation est plus facile et sûre. L'analyse du comportement thermique et des flux gazeux a d'abord été menée avec un réservoir de faible capacité (90 Nl d'H2) mais permettant de s'adapter à des configurations expérimentales variées. Un second réservoir a été conçu pour répondre aux spécificités des composites "MgH2 + GNE". Ce réservoir permet d'absorber 1200 Nl (105 g d'H. ) en 45 minutes, avec une densité volumique système équivalente à celle d'une bouteille d'hydrogène comprimé à 480 bars. Simultanément, un modèle numérique du comportement des réservoirs de MgH2 a été développé à l'aide du logiciel Fluent®. Les simulations numériques des chargements et des déchargements concordent avec l'expérience et expliquent le comportement réactionnel du matériau
The target of this thesis was to study the feasibility of solid hydrogen storage in magnesium hydride (MgH2). At first, kinetic, thermodynamic and thermal properties of activated MgH2 powder have been investigated. Powders sorption kinetics are very sensitive to air exposure. The heat released by the very exothermic absorption reaction needs to be removed to load a tank with hydrogen in a reasonable time. In order to increase the thermal conductivity, a compression process of the material with expanded natural graphite (ENG) has been developed. Owing to that process, tough and drillable disks of MgH2 can be obtained with a reduced porosity and twice the volumetric storage capacity of the free powder bed. Handling those disks is easier and safer. Heat and mass transfer analysis has been carried out with a first small capacity tank (90 Nl), which is adapted to different experimental configurations. A second tank has been designed to fit disks of "MgH2 + ENG". This tank can absorbe 1200 Nl (105 g H. ) in 45 minutes, with a volumetric storage density equivalent to 480 bar compressed hydrogen. At the same time, a numerical modeling of MgH2 tanks has been achieved with Fluent® software. Numerical simulations of sorption process fit experiments and can be used for a better understanding of the storage material thermal and chemical behavior

Un système électrique isolé du réseau, uniquement alimenté par un générateur photovoltaïque nécessite un stockage d'énergie pour être autonome. La batterie au plomb est couramment utilisée à cet effet, en raison de son faible coût, malgré certaines contraintes de fonctionnement. On peut la remplacer par une unité de stockage (USEH) incluant un électrolyseur, une pile à combustible et un réservoir d'hydrogène. Mais il reste d'importants efforts à fournir avant de voir l'essor industriel de cette technologie dont les débouchés doivent être identifiés. Les applications stationnaires de quelques kW sont évaluées par simulation numérique. Un simulateur est développé dans l'environnement Matlab/Simulink, comprenant principalement: le champ photovoltaïque et le système de stockage (batteries au plomb, USEH, ou stockage hybride USEH/batteries). La taille des composants est calculée pour satisfaire l'autonomie du système sur une année de fonctionnement. Il est testé pour 160 profils de charge (1kW en moyenne annuelle) et trois situations géographiques (Algérie, France et Norvège). Deux coefficients sont mis en place pour traduire la corrélation entre la consommation de l'usager et la disponibilité de la ressource renouvelable, à l'échelle journalière et saisonnière. Parmi les cas testés, le coefficient de corrélation saisonnier montre une valeur limite permettant de préconiser le stockage le plus adapté au cas étudié. L'emploi de l'USEH au lieu de batteries au plomb peut conduire à accroître le rendement du système, à réduire la taille du champ photovoltaïque et à optimiser l'exploitation de la ressource renouvelable. Dans tous les cas testés, l'hybridation de l'USEH avec des batteries permet d'améliorer le dimensionnement et les performances du système, avec un gain sur le rendement de 10 à 40 % selon le lieu testé. La confrontation des résultats de simulation à des données de systèmes réels a permis de valider les modèles utilisés.

Ce travail concerne l'étude de la faisabilité de l'insertion électrochimique de l'hydrogène dans le carbure de titane sous-stoechiométrique de formule TiCx obtenu par des procédés de frittage réactifs conventionnels (naturel et sous charge) et sous forme de couches minces par pulvérisation cathodique magnétron. L'insertion électrochimique de l'hydrogène dans ce matériau dépend grandement de plusieurs facteurs : le procédé d'élaboration, la structure cristalline et la stoechiométrie du carbure. Le frittage sous charge des carbures TiCx avec x inférieur ou égal a 0,70 mènent à l'obtention d'une structure cristalline ordonnée où les plans (111) de carbone sont partiellement vides permettant l'insertion de l'hydrogène dans le matériau. A l'inverse, les carbures préparés par frittage naturel à haute température (2100°C) ne permettent pas l'insertion de l'hydrogène quelle que soit la stoechiométrie du carbure car les lacunes de carbone sont désordonnées dans leur structure cristalline. Néanmoins, il est possible d'ordonner ces lacunes de carbones par des recuits thermiques à basse température (730°C) et d'identifier de nouveau les plans (111) de carbone partiellement vides comme responsable de l'insertion de l'hydrogène dans le carbure de titane dont le coefficient de diffusion a ete estimé a 1,2 X 10-13 cm2. S-1 dans TiC0,60. La réaction électrochimique d'oxydation du carbure de titane a aussi été étudiée, où il est démontré que le carbure de titane s'oxyde en TiO2 avec un rejet de CO2
This work deals with the feasibility of the electrochemical hydrogen insertion into the substoichiometric titanium carbides TiCx (0. 5 ≤ x ≤ 1) obtained by conventional reactive sintering (natural and hot pressing), and under the form of thin films, as obtained by magnetron reactive sputtering. The electrochemical hydrogen insertion in this material strongly depends on several parameters : (i) the elaboration process ; (ii) the crystalline structure ; and (iii) the stoichiometry of the carbide. The carbides TiCx obtained by hot pressing with x lower or equal to 0. 70 present an ordered crystalline structure where the (111) carbon plans are partially empty, allowing the hydrogen insertion into the material. On the contrary, the carbides prepared by reactive sintering at high temperature (2100°C) do not allow the hydrogen insertion whatever the carbide stoichiometry, because of the disorder of the carbon vacancies inside the crystalline structure. Nevertheless, it is possible to order these carbon vacancies by annealing at low temperature (730°C), this treatment rendering again the carbon plans (111) partially empty, and so, allowing the hydrogen to penetrate inside the titanium carbide with a diffusion coeffcient estimated at 1. 2 X 10-13 cm2. S-1 in TiC0. 60. The electrochemical reaction of oxidation of the titanium carbide was also studied, and it is demonstrated that TiC oxidizes into TiO2 accompanied by a CO2 release

L’hydrogène en tant que vecteur énergétique reste tributaire, pour un développement à grande échelle, de son stockage et de la facilité de dégagement du combustible stocké. Pour les applications embarquées, portables et stationnaires, aucune technologie de stockage (H2 comprimé, H2 liquide, hydrures métalliques ou chimiques) ne répond aujourd’hui au cahier des charges d’un système de stockage. De nombreuses études se penchent donc à la fois sur l'optimisation des composants et le développement de sources d'énergie miniatures. Dans cette optique, la production d'hydrogène par l'hydrolyse des borohydrures est une technologie prometteuse pour les piles à combustible portables. En particulier, le borohydrure de sodium (NaBH4) présente de multiples avantages. Par exemple, les solutions aqueuses de NaBH4 sont non inflammables assurant ainsi la sécurité des procédés, le taux de génération d’hydrogène est facilement contrôlé par un catalyseur, les produits de réaction sont respectueux de l'environnement et peuvent être recyclés. La réaction d’hydrolyse du borohydrure alcalin peut être décrite de la façon suivante : MBH4 + (2+x) H2O → 4 H2 + MBO2.xH2O L’optimisation de la réaction d’hydrolyse et plus globalement l’optimisation du fonctionnement de la cartouche et de ces performances nécessite d’améliorer les connaissances sur les propriétés physico-chimiques du borohydrure et des métaborates en milieu aqueux plus ou moins complexe. L’un des principaux défis consiste à augmenter la concentration en NaBH4 de la solution de la cartouche, tout en évitant les inconvénients induits par la cristallisation des sous-produits (NaBO2.xH2O). Mais il est alors nécessaire de contrôler la stabillité de cette solution, par ajout d'hydroxyde de sodium qui limitera l'auto–décomposition NaBH4. Ce travail montre les deux aspects de l'analyse de la durée de vie de la cartouche génératrice d’hydrogène : – La cinétique d'hydrolyse spontanée des solutions alcalines aqueuses NaBH4 en fonction de la concentration de NaOH (élément stabilisant) et de la plage de température de fonctionnement de la cartouche,– La compréhension sans équivoque de l'opération de cristallisation NaBO2 et plus particulièrement la délimitation du domaine de la phase liquide homogène dans le système quaternaire NaBH4–NaBO2–NaOH–H2O, qui représente l’évolution du mélange lors du fonctionnement de la cartouche d'hydrogène
Numerous investigations are addressing both component optimization and development of miniature energy sources. The rise of portable eletronic devices, brings to the fore the crucial issues of power supply. The foresceable evolution in functionalities and utilizations, as regards portable eletronic devices, together with the introduction of novel electronic components, entail considerable changes in requirements, in terms of power consumption and autonomy. Hydrogen generation by means of the hydrolysis of borohydrides is a promising technology for portable fuel cells. Particularly, sodium borohydride (NaBH4) presents many advantages for that purpose. For example, NaBH4 solutions are non–flammable thus yielding safe processes; the rate of H2 generation is easily controlled by a catalyst; reaction products are environmentally benign and finally the reaction by–product can be recycled. The hydrolysis of NaBH4 in water to produce H2 gives by–products, NaBO2.yH2O, hydrated sodium borate according to MBH4 + (2+x) H2O → 4 H2 + MBO2.xH2O The interesting point of this work is to increase the amount of produced H2 in order to improve the energy density of the H2 generator system. For this, one of the main challenges is to increase the NaBH4 concentration of the cartridge solution thus avoiding the drawbacks induced by NaBO2 crystallization, but also to control the stabillity of this solution, it means add sodium hydroxyde to limit the NaBH4 self–decomposition, thus stabilizing the system. This work shows the two aspects of the analysis of the cartridge timelife : – The kinetic of spontaneous hydrolysis of alkaline aqueous NaBH4 solutions as function of NaOH concentration and the operation temperature range of the cartridge, – An unequivocal understanding of the NaBO2 crystallization process and more specifically the delimitation of the homogeneous liquid phase domain in the quaternary system NaBH4– NaBO2–NaOH–H2O, which represents the mixture present during the hydrogen cartridge operation

La raréfaction des combustibles fossiles et la prise en compte de plus en plus importante des enjeux environnementaux incite à rechercher de nouvelles pistes de production, stockage et transport de l’énergie. Le développement de la filière hydrogène dépend des améliorations de chacun de ces principaux maillons qui sont la production, le stockage, la distribution et l’utilisation de l’hydrogène.Cette thèse se consacre au stockage de l’hydrogène par absorption dans des matériaux solides pulvérulents composés d’hydrures intermétalliques. Les performances de ce type de stockage dépendent grandement de la gestion des échanges de chaleurs imposés par le caractère exothermique de la réaction d’hydruration (absorption d’hydrogène par le matériau) et respectivement le caractère endothermique de la réaction de déshydruration (désorption d’hydrogène par le matériau). Cette nécessité a guidé la conception des réservoirs vers une architecture interne cellulaire. Si la thermique des réservoirs est très étudiée, les mécanismes de gonflement-dégonflement cycliques des hydrures lors de l’absorption et la désorption d’hydrogène sont assez peu abordés dans la littérature. Pourtant, les interactions mécaniques de la poudre hydrure sur les parois des cellules peuvent remettre en cause l’intégrité du réservoir. La mécanique des milieux granulaires constitue ainsi un apport essentiel à l’analyse et à termes à la prédiction du comportement mécanique du lit de poudre hydrure au sein du réservoir.Cette thèse présente en premier lieu la caractérisation expérimentale du comportement mécanique d’un hydrure intermétallique Ti-Cr-V à différents états de cyclage sous hydrogène en cellule instrumentée en incluant l’analyse des mécanismes de gonflement-dégonflement. L’analyse du comportement mécanique est abordée par une approche de type mécanique des milieux granulaires basée principalement sur la méthode des éléments discrets (DEM). Ces travaux ont permis d’identifier les caractéristiques et le comportement mécanique de l’hydrure (granulométrie, compression en matrice, écoulement) ainsi que l’évolution de paramètres liés au cyclage. Les effets du mécanisme de réarrangement opérant lors du cyclage à l’échelle des grains d’hydrure ont pu être identifiés expérimentalement. En particulier, la variation de volume cyclique du matériau entraine un tassement progressif du lit de poudre, une diminution de la porosité et une augmentation des niveaux de contraintes. Ce comportement a été reproduit numériquement par des simulations impliquant des particules discrètes de formes sphériques et de formes agrégées complexes
It is harder and harder to find fossil fuels and it becomes therefore more and more expensive. Furthermore the environmental impacts of energy are more and more taken into account. For those reasons new solutions to produce, store, transport energy are currently researched and/or developed. Among those solutions, hydrogen system could be a good solution depending and how its main parts (production, storage, supply and use) are improved.This PhD is relative to hydrogen storage in intermetallic hydride compouds. Hydrogen tanks using these kind of materials have to allow good thermal control of the hydride powder especially because of the exothermicity of the hydriding and endothermicity of the unhydriding reaction. That's why the internal architecture of these vessels are often cellular, the cell walls playing the role of a thermal conductor. If the thermal aspects relative to these tanks are often studied, it is not the case of the mechanical phenomenon induced by the swelling and shrinking of the grains during absorption and desorption of hydrogène by the material. However, the mechanical interaction between the powder and the cell walls could endanger the tank.This PhD consists of two main parts. The first part is a mechanical study of the behavior of a Ti-Cr-V compound while the second is a mechanical modelling and analysis mainly by the Discretes Elements Method (DEM). Thanks to this work the main features and mechanical properties of the hydride (granulometry, matrix compaction, granular flow, powder density …) and their evolution due to cycling were measured. The influence of hydride grains rearrangement induced by hydride breathing were analysed experimentally. It lead to a progressive densification of the powder bed in instrumented cells that resulted in a decrease of porosity and an increase of stresses on cell walls. This effect was reproduced in discrete elements simulations of spherical and clump particles