L’hydrogène possède plusieurs propriétés remarquables. Il stocke sous forme liquide d’énormes quantités d’énergie, a un point d’ébullition aussi bas que -252,9 °C et diffère considérablement de la plupart des autres combustibles et vecteurs d’énergie en termes de densité énergétique.
Dans ce blog, nous examinons la densité énergétique de l’hydrogène gazeux et liquide. Qu’est-ce qui rend la densité énergétique de l’hydrogène si unique ? Et qu’est-ce que cela signifie pour l’application de l’hydrogène en termes pratiques ? À l’aide de divers exemples pratiques, nous répondons de manière exhaustive à ces questions.
La densité énergétique de l’hydrogène
Comme nous l’avons expliqué précédemment dans notre blog sur l’hydrogène liquide, l’hydrogène est le gaz le plus léger de l’univers. Le gaz hydrogène ne pèse presque rien mais a une densité énergétique gravimétrique (MJ/kg) extrêmement élevée. Un kilogramme d’hydrogène contient une grande quantité d’énergie, ce qui en fait un vecteur énergétique efficace et léger. Par ailleurs, la densité énergétique volumétrique (MJ/m³) de l’hydrogène est particulièrement faible. Par volume, le contenu énergétique de l’hydrogène est même beaucoup plus faible que celui de la plupart des autres carburants et vecteurs énergétiques.
| Densité énergétique : | MJ/kg | MJ/L |
|---|---|---|
| Mélange de gaz européen (1 bara en 20 °C) | 32-35 | 0,038-0,042 |
| Hydrogène gazeux (1 bara en 20 °C) | 142 | 0,010-0,011 |
| GPL (1 bara en 20 °C) | 49 | 27 |
| GNL (1 bara en 110 K) | 53 | 22 |
| Essence (1 bara en 20 °C) | 46 | 34 |
| Diesel (1 bara en 20 °C) | 46 | 38 |
| Kérosène (1 bara en 20 °C) | 43-50 | 35 |
| Ammoniac | 16.9 | 11.5 |
| Pierre et lignite (1 bara en 20 °C) | 23 | 34-43 |
| Densité énergétique : | MJ/kg | MJ/L |
|---|---|---|
| Mélange de gaz européen (1 bara en 20 °C) | 32-35 | 0,038-0,042 |
| Hydrogène gazeux (1 bara en 20 °C) | 142 | 0,010-0,011 |
| GPL (1 bara en 20 °C) | 49 | 27 |
| GNL (1 bara en 110 K) | 53 | 22 |
| Essence (1 bara en 20 °C) | 46 | 34 |
| Diesel (1 bara en 20 °C) | 46 | 38 |
| Kérosène (1 bara en 20 °C) | 43-50 | 35 |
| Ammoniac | 16.9 | 11.5 |
| Pierre et lignite (1 bara en 20 °C) | 23 | 34-43 |
Par conséquent, le stockage ou l’utilisation de l’hydrogène à la pression et à la température atmosphériques nécessite une quantité importante d’espace.
Heureusement, il existe une solution à ce problème. En comprimant ou en liquéfiant l’hydrogène, il est possible d’augmenter sa faible densité énergétique volumétrique. Cela facilite considérablement le stockage, le transport et l’utilisation de l’hydrogène.
| Densité énergétique : | MJ/kg | MJ/m³ |
|---|---|---|
| Hydrogène gazeux (700 bara en 20 °C) | 142 | 4.500-5.300 |
| Hydrogène liquide (1 bara en 20 K) | 142 | 8.500 |
| Densité énergétique : | MJ/kg | MJ/m³ |
|---|---|---|
| Hydrogène gazeux (700 bara en 20 °C) | 142 | 4.500-5.300 |
| Hydrogène liquide (1 bara en 20 K) | 142 | 8.500 |
La densité de masse volumétrique de l’hydrogène dans la pratique
Que signifie en pratique la densité massique volumétrique de l’hydrogène ? Les chiffres et les exemples ci-dessous illustrent clairement les implications :
- La densité volumétrique de l’hydrogène gazeux à la pression atmosphérique et à 20°C est de 0,083 kg/m³. Par conséquent, dans des conditions normales, il faut beaucoup d’espace pour stocker l’hydrogène gazeux. Par conséquent, l’hydrogène n’est pratiquement pas stocké ou transporté sous forme gazeuse à la pression atmosphérique, car il n’est tout simplement pas efficace.
- À une pression de 350 barg et à 20°C, la densité massique volumétrique de l’hydrogène gazeux est de 23,715 kg/m³. Cette pression accrue permet de stocker beaucoup plus d’hydrogène gazeux dans le même espace. La pression de 350 bars est utilisée dans les réservoirs des camions d’hydrogène gazeux, par exemple ceux d’Hyzon. Un camion chargé de 55 tonnes a besoin d’environ 50 à 70 kg d’hydrogène pour parcourir 500 à 600 km.
- À une pression de 700 barg et à 20°C, la densité volumétrique de l’hydrogène gazeux est de 39,75 kg/m³. Cette pression relativement élevée est utilisée, entre autres, pour les voitures particulières à hydrogène gazeux (comme la Hyundai NEXO présentée dans notre récent blog« À quoi sert l’hydrogène ?« ). Avec un réservoir de 125 litres contenant 5 kg d’hydrogène, une voiture peut parcourir environ ±600 km.
- À l’état liquide et à une température de -252,9 °C, l’hydrogène a une densité massique volumétrique de 70,9 kg/m³. L’hydrogène liquide est également utilisé comme vecteur énergétique pour les camions et les avions durables, qui sont actuellement en cours de développement.
Pour parcourir environ 1000 km, un camion a besoin d’environ 80 kg d’hydrogène liquide. C’est le cas, par exemple, du Daimler GenH2 à hydrogène liquide, dont nous avons parlé en détail dans le blog mentionné plus haut.
L’hydrogène liquide offre également un excellent potentiel pour les avions. Parce que l’énergie de l’hydrogène liquide est très élevée et que l’hydrogène en tant que carburant est beaucoup plus léger que le kérosène. C’est un avantage considérable pour les avions.
Cependant, le volume d’hydrogène liquide est beaucoup plus important que le volume de kérosène. Pour transporter la même quantité d’énergie totale à bord, il faut quatre fois plus d’hydrogène liquide que de kérosène.
Heureusement, il existe des moyens d’utiliser le carburant de manière efficace. Par exemple, les piles à combustible sont plus efficaces que les moteurs à carburant, et la supraconductivité les rend encore plus économiques. En appliquant ces techniques, il n’est pas toujours nécessaire d’embarquer une quantité massive d’hydrogène.
Infrastructures spéciales
Les propriétés uniques concernant la densité énergétique font que l’application de l’hydrogène diffère de celle des autres carburants et vecteurs énergétiques et nécessite des infrastructures entièrement différentes.
Le stockage et le transport de l’hydrogène dans des conditions atmosphériques sont très inefficaces, de sorte que la substance est presque toujours liquéfiée ou mise sous haute pression. Les molécules se rapprochent ainsi les unes des autres, ce qui augmente l’énergie par volume et rend le gaz très intéressant pour le stockage, le transport et les applications.
Comme nous l’avons détaillé dans notre précédent blog sur les pipelines d’hydrogène, des infrastructures à isolation optimale sont essentielles pour l’hydrogène liquide. Les infrastructures d’hydrogène liquide sont souvent équipées d’une isolation sous vide pour éviter les pertes d’énergie et assurer la sécurité nécessaire.
Les lignes de transfert isolées sous vide se composent d’un tube interne et d’un tube externe, avec un environnement à vide poussé entre les deux. L’enceinte sous vide offre une valeur d’isolation extrêmement élevée, tandis que les deux tubes réunis constituent un double confinement qui rend le tuyau encore plus sûr.
Depuis des décennies, Demaco est à l’avant-garde du développement des meilleures infrastructures d’hydrogène liquide. Nous expérimentons des prototypes, travaillons sur des projets pionniers et démontrons la preuve de concept pour des projets et des produits avancés. Nos infrastructures d’hydrogène isolées sous vide ont duré des décennies dans le cadre de divers projets et prouvent que la technologie du vide est la méthode de choix pour gérer l’hydrogène liquide en toute sécurité.
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