Le concept de stockage de l'hydrogène désigne toutes les formes de mise en réserve du dihydrogène en vue de sa mise à disposition ultérieure comme produit chimique ou vecteur énergétique.
Plusieurs possibilités existent (stockage liquide ou solide) présentant chacune des avantages et inconvénients.
Sous forme de gaz, le dihydrogène est peu dense. Il doit donc être comprimé (liquéfaction) sous haute pression et à très basse température, ce qui consomme de l'énergie. Le stockage chimique dit « solide » nécessite de l'insérer dans une matrice où il se liera provisoirement à d'autres composants, généralement sous forme d'hydrure, le réservoir devant ensuite être maintenu à une certaine pression et température.
Enjeux Mobilité L'hydrogène présente des caractéristiques qui en font un des futurs vecteurs énergétiques intéressants. Il dispose notamment d'une densité d'énergie massique trois fois plus élevée que celle du gazole., et il alimente facilement les moteurs à combustion interne (cas des véhicules actuels, avec une efficacité énergétique alors limitée par le cycle de Carnot et un rendement plafonnant à environ 25 %) ou les moteurs « électrochimiques » (à pile à combustible, dont l'efficacité non limitée par le cycle de Carnot, permet un rendement atteignant 50 à 60 %. Il peut aussi alimenter des réacteurs.
Dans tous les cas, améliorer et sécuriser son stockage est un enjeu, dont pour l'écomobilité, car l'hydrogène semble être l'une alternative aux hydrocarbures : en brûlant il n'émet que de la vapeur d'eau et quelques oxydes d'azote (), mais ni dioxyde de carbone (), ni monoxyde de carbone (CO)CEA (2012), Distribution et stockage de l'hydrogène (4/6), in dossier Les énergies renouvelables ; L'hydrogène..
Dans les années 2010, le coût de « stockage mobile » du dihydrogène reste prohibitif, et son transport est de l'ordre de 50 % plus cher que celui du gaz naturel. De plus, une unité de volume d’hydrogène transporte trois fois moins d’énergie qu’une unité de volume de gaz naturel.
Un stockage rapidement réversible et sécurisé de quantités importantes d'hydrogène est encore un défi technologique et scientifique. L'atome d'hydrogène, très petit est parmi les plus difficiles à contenir, y compris sous forme de molécule de dihydrogène. Sa liquéfaction nécessite de le refroidir à environ (de tous les gaz, seul l'hélium est plus difficile à liquéfier). Cette liquéfaction est à ce jour très consommatrice d'énergie.
Le réseau de distribution est encore émergeant. En Europe vers 2010, il desservait essentiellement des industriels et quelques stations-service expérimentales. Il en compte une quarantaine dans le monde en 2012, dont aux États-Unis, au Japon, en Allemagne et en Islande), grâce à environ de pipelines à hydrogène exploités par Air liquide en France, en Allemagne et au Benelux essentiellement. Le réseau de gaz peut également absorber une grande quantité d'hydrogène.
Sécurité Sous forme de gaz de dihydrogène, l'hydrogène est explosif et inflammable. Par rapport aux hydrocarbures, le risque de fuite est plus élevé, en raison de la petite taille de la molécule. L'hydrogène mélangé à l'air est inflammable à des concentrations faibles, et exploser à des concentrations de 4 % à 75 % en volume dans l'air. De plus, l'énergie requise pour l'enflammer est dix fois moindre que celle nécessaire pour le gaz naturel. En revanche, il se disperse plus rapidement dans l'air, ce qui limite le risque d'explosion.. La réaction avec l'oxygène de l'air est 2 H + → 2 .
Encombrement L'hydrogène est l'atome le plus léger, dans les conditions normalesC'est-à-dire à pression atmosphérique et ., dont la masse volumique est de .. Il peut être liquéfié () à , température difficile à obtenir, ou être compressé par les techniques modernes jusqu'à , pression à laquelle il possède une masse volumique de , soit ..
Stockage en réservoir de la molécule H vignette|droite|La masse volumique de l'hydrogène sous certains conditions de température et pression. En 1, l'hydrogène liquide, en 2 sous forme de gaz comprimé, en 3 cryo-compressé.
Sous forme gazeuse Basse et moyenne pressions Sous cette forme, il est utilisé principalement pour des applications nomades ou ultra-mobiles se caractérisant par un faible encombrement, un faible poids, une réserve énergétique limitée mais une mise en œuvre très simple.
Les applications les plus courantes sont : la réserve d'hydrogène utilisé comme « gaz d'étalonnage » pour l'étalonnage de certains instruments ; l'injection d'une faible quantité de gaz permet de procéder à une opération d'étalonnage de l'appareil ou de l'instrument. Le réservoir d'hydrogène peut être installé à poste dans l'équipement ou porté par le personnel chargé de l'étalonnage; la réserve d'énergie, pour du personnel intervenant en milieu isolé ou extrême (froid, obscurité...) et offrant assez d'énergie pour activer ou recharger un téléphone, un dispositif d'appel, une balise, alimenter les leds d'une lampe frontale, etc.Hycan à la SaintéLyon… ou encore pour recharger son téléphone, loin de toutChargeur USB à hydrogène..
Haute et très haute pressions redresse|vignette|Châssis de la Honda Clarity, un véhicule alimenté en hydrogène pour produire l’énergie électrique nécessaire à son moteur, grâce à une pile a combustible. Chacun des réservoirs stocke quelques kilogrammes d'hydrogène gazeux à 350 bars. redresse|vignette|Bus avec un moteur à combustion interne fonctionnant à l'hydrogène circulant sur la ligne 309 de la ville de Berlin. Le bus est muni de dix réservoirs pesant chacun , l'ensemble stockant un total de 30 à 37,5 kg d'hydrogène gazeux à 350 bars. Le bus pèse environ 18 tonnes et peut transporter 80 personnes sur environ 220 km.
Les hautes pressions concernent plutôt des applications mobiles pour lesquelles la réserve d'énergie doit être importante et compacte. Le seul moyen de diminuer le volume d'un gaz à température constante est d'en augmenter la pression dans le réservoir, selon la loi de Boyle-Mariotte.
Les techniques actuelles permettent d'atteindre une pression de Rachida Boughriet, Le CEA et ses partenaires finalisent un réservoir de stockage d'hydrogène sous pression pour l'automobile, Actu Environnement, le 21 novembre 2008. via un compresseur d'hydrogène (à piston, électrochimique ou à hydrures). À cette pression l’hydrogène possède une masse volumique de , soit un gain d’un facteur 500 environ par rapport à sa densité à pression et température ambiantes. Ces réservoirs sont généralement constitués d'une enveloppe () métallique ou en polymère, plus léger, qui doit empêcher la perméation de l'hydrogène. Cette première enveloppe est protégée par une seconde contenant les forces de pression et résistant à d'éventuels chocs ou sources de chaleur, généralement fabriquée en matériaux composites renforcés grâce à un enroulement de filaments (fibre de carbone spécifique, principalement mais d'autres matériaux sont à l'essai comme les fibres de basalte).
Ces réservoirs font l'objet de qualifications très complexes où on vérifie la résistance à la pression (jusqu'à l'éclatement pour un échantillon du lot), la résistance au feu et la résistance aux chocs (tirs à balles réelles).
En 2025, des réservoirs à 200 bars sont maîtrisés, même s'ils nécessitent toujours beaucoup de précautions pour prévenir les accidents en cas de fuite. Cependant, il faudrait porter la pression à ou plus pour disposer d'un volume embarqué considéré comme offrant un compromis intéressant entre énergie perdue pendant la compression et masse ou capacité énergétique du réservoirDominique Perreux, « Le stockage d'hydrogène, un défi scientifique et technologique », Institut FEMTO-ST, département LMARC, En direct, , octobre 2004, Université de Franche-Comté.. D'autre part, le stockage du gaz à pression atmosphérique nécessiterait idéalement que l'enveloppe du réservoir puisse se déformer tout en restant étanche pour que le gaz puisse y être introduit et en être extrait. La réponse technique n'est pas plus évidente.
Deux voire trois standards coexistent : 350 bar ou 35 MPa pour tout véhicule : voitures particulières Honda Clarity., bus, engins et camions pour tous les territoires ; 500 ou 550 bar pour des engins et camions pour l’Amérique du Nord ; 700 bar ou 70 MPa pour les voitures particulièresNissanMercedes Class B..
La « tête de réservoir » doit permettre le remplissage de gaz, l'alimentation de la pile ou du moteur à la pression désirée (grâce à un détendeur intégré), dans de bonnes conditions de sécurité (sans surpression, ni risque d'explosion). Des capteurs doivent aussi informer sur la quantité de gaz restante.
Sous forme liquide vignette|droite|Un réservoir d'hydrogène liquide à la température de . Cette solution, encore réservée aux lanceurs spatiaux, pourrait à l'avenir concerner des véhicules terrestres. En effet, l’hydrogène liquide possède une masse volumique de . ; dans ces conditions, le volume du réservoir nécessaire pour stocker les d’hydrogène mentionnés plus haut serait de , soit le volume du réservoir d'une voiture à essence actuelle.
La difficulté est alors de porter et de maintenir l'hydrogène à une température de . Le réservoir doit alors ou bien résister à de hautes pressions, ou disposer de systèmes secondaires maintenant l’hydrogène à basse température, et à une pression au moins légèrement supérieure à la pression atmosphérique. En outre, la liquéfaction de l’hydrogène et son maintien en température ont un coût énergétique élevé et, par là, sont polluants.
La cryo-compression (développée depuis 2009 par BMW.) pourrait améliorer l'efficacité du stockage volumétrique et massique et ainsi faciliter l'usage d'hydrogène liquide refroidi à très basse température ( environ).
Quand l'hydrogène se réchauffe et monte en pression sous l'effet de l'apport de chaleur du milieu environnant (comme dans une cocotte-minute), la pression finale avoisine (voir par exemple le réservoir liquide développé sur la voiture BMW Hydrogen 7). Pour comparaison, un réservoir d'essence traditionnel ne supporte que quelques bars, et un réservoir GPL . Avec les scénarios classiques de conduite, la pression « limite » de serait très rarement atteinte (car la pression et la température diminuent dans le réservoir au fur et à mesure que l'hydrogène est consommé).
Le ministère américain de l'énergie (DOE) a publié des « valeurs cibles » concernant la capacité de stockage embarqué pour l'hydrogèneHydrogen Storage et la technologie cryo-compressée a d'ores et déjà atteint les valeurs recommandées pour 2015 System Level Analysis of Hydrogen Storage Options, Département de l'Énergie des États-Unis, juin 2010 , diapositive 6. (de petits réservoirs de suffisant pour une autonomie de avec une pile à hydrogène).
La cryo-compression serait la solution la moins onéreuse parmi les différentes formes de stockage en cours d'étude : le coût pour l'utilisateur final (incluant les coûts de production, liquéfaction, transport et de distribution de l'hydrogène) a été estimé à (soit un peu moins de ) alors qu'ils sont de () pour un véhicule essence traditionnel (voir la diapositive 13http://www.hydrogen.energy.gov/pdfs/review10/st002_lasher_2010_o_web.pdf pour plus d'informations).
Pour ces raisons, le constructeur allemand BMW avait intégré le "cryo-compressé" comme principal élément du développement de sa filière hydrogène Oliver Kircher, Advances in Cryo-compressed Hydrogen Vehicle Storage (CcH2), BMW Group, 2010 (lire en ligne )., mais cette solution a été (provisoirement ?) abandonnée car ne garantissant pas la conservation du gaz pendant un arrêt prolongé du véhicule, outre les autres risques associés à cette technologie.
Stockage sous forme d'hydrates ou clathrate