Le stockage d’hydrogène peut se faire de nombreuses façons. Les principales sont la compression (jusque 700 bars) et la liquéfaction à -253.2°C. Le stockage sous forme d’hydrures et dans des caves souterraines sont des méthodes prometteuses.


L’un des plus grands challenges de l’hydrogène est son stockage en raison de son volume. Dans des conditions de pression et de température « normales », 1kg d’hydrogène occupe environ 11 000 litres. Même s’il contient, par kg, 4 fois plus d’énergie que l’essence, la différence de volume est gigantesque.

« en conditions normales de température et de pression (CSTP) 1 bar, 20°C, l’hydrogène occupe un volume de 333 litres/kWh et, dans les mêmes conditions, l’essence occupe 0,1 litre/kWh. »

CEA, Les technologies de l’hydrogène au CEA, 2012

Pour l’utiliser, surtout pour ses applications mobiles, il faut trouver un moyen pour en réduire le volume. Les principales méthodes pour cela sont la liquéfaction (l’hydrogène liquide stocke 70g/litre, soit 14 litres pour contenir un kg) et la compression (42g/litre à 700 bars, soit 23 litres par kg).

Problématiques générales du stockage de dihydrogène

L’un de ces verrous pour l’utilisation de l’hydrogène en tant que vecteur d’énergie est son stockage. Il doit permettre d’avoir d’une part, un haut degré de sécurité et d’autre part, des facilités d’usage (capacités de stockage – dynamique de stockage/déstockage) pour permettre de fonctionner dans des conditions techniques acceptables. Pour que l’hydrogène devienne une solution viable, les procédés de stockage devront donc être sûrs, économiques et adaptés à une multitude d’utilisations dans le futur : applications mobiles pour le transport et dispositifs portables ou stationnaires.

Maxime Botzung, Conception et intégration d’un stockage d’hydrogène sur hydrures métalliques, thèse présentée le 29 Avril 2008, p.17

Les modes de stockage d’hydrogène étudiés

Il y a de très nombreux modes de stockages d’hydrogène. Parmi ceux qui sont sous basés sur un changement physique, il y a la compression de gaz, la liquéfaction, mais aussi la cryocompression. Ceux qui sont basés sur des matériaux sont plus nombreux. Ils peuvent reposer sur la chimie. C’est le cas de l’ammoniac, de l’acide formique et des porteurs d’hydrogène liquide organiques. Ils peuvent aussi reposer sur une mécanique physique. C’est le cas des hydrures métalliques, des zéolites, des Metal Organic Framework (MOF), « glass capillary array » et microsphères de verre.

Nous ne verrons que les principaux:

  • Le dihydrogène gazeux comprimé
  • Le dihydrogène liquide
  • Le stockage par adsorbtion
  • Les hydrures métalliques

Les problématiques récurrentes

Chacune de ses méthodes a ses propres difficultés et que leur intérêt varie grandement en fonction de leurs utilisations. Globalement, plusieurs questions vont se poser systématiquement:

  • Combien d’énergie faut-il pour transformer l’H2 en sa variante stockée ?
  • Combien d’énergie faut-il pour maintenir le gaz sous sa forme stockée ?
  • Combien d’énergie faut-il pour ramener le gaz de sa forme stockée à une forme utilisable ?
  • Est-ce que la forme stockée du gaz a des risques ? (ex: la compression suppose un danger d’explosion, l’ammoniac un risque de pollution …)

Le stockage physique d’hydrogène

Le mode de stockage le plus courant de l’hydrogène consiste à « simplement » le comprimer. Cela peut se faire à haute pression, à basse pression ou, pour un stockage stationnaire, dans une caverne saline (pratique courante pour le méthane).

Le stockage d’hydrogène sous forme de gaz

La compression mécanique d’hydrogène à haute pression

« Ainsi, à 700 bar, l’hydrogène possède une masse volumique de 42 kg/m3 contre 0.090 kg/m3 à pression et température normales. À cette pression, on peut stocker 5 kg d’hydrogène dans un réservoir de 125 litres. »

https://energies.airliquide.com/fr/mediatheque-planete-hydrogene/comment-stocker-lhydrogene

Le format de compression d’hydrogène le plus courant dans les véhicules est à 350 bars en général (bus, avions …) et 700 bars pour les voitures à hydrogène. Ce sont des pressions énormes, qui demande beaucoup d’énergie à atteindre : la compression du gaz fait perdre autour de 10% de l’énergie.

Il faut, en outre, des récipients extrêmement solides.

Il y avait des craintes dans les années 70 que les contraintes soient telles que les réservoirs d’hydrogène dussent être arrondis, ce qui aurait été problématique à placer dans un véhicule.

Toutefois les contenants actuels sont cylindriques et ne posent pas trop de problème à placer (ex: sous les sièges pour les voitures). Ils sont composés d’un revêtement (« liner »), pour l’étanchéité, et d’un polymère pour la résistance et la protection mécaniques du réservoir.

La compression d’hydrogène à basse pression

Pour les applications de stockage stationnaire, il me semble que des pressions à 50 bars suffisent. A vérifier.

Le stockage d’hydrogène souterrain

Le stockage souterrain de gaz est quelque chose de déjà commun. Les nappes aquifères et les cavernes salines sont déjà largement utilisées pour stocker du gaz naturel. Néanmoins, l’hydrogène emporte des stockages spécifiques qui imposent de tout repenser.

Selon une étude des coûts en capitaux, l’option la moins chère serait le gisement épuisé (1.23 $/kg), avant les nappes aquifères (1.29 $/kg) et les cavités salines (1.61 $/kg). (Tarkowski 2019)

On peut se demander si l’activité sismique ne représente pas un risque pour le stockage d’hydrogène souterrain.

Stockage en nappes aquifères

On peut stocker du gaz dans des aquifères. On injecte du gaz sous pression pour « remplacer » l’eau et profiter d’une surface naturellement imperméable qui va servir de réservoir. Il y en a 13 sites en France. C’est préféré au stockage en cavités salines, car les coûts d’exploitation sont plus faibles et il n’y a pas le problème de la corrosiveté du sel.

Je ne crois pas que cela soit sérieusement envisagé comme solution de stockage pour l’H2. (à vérifier)

Stockage en gisements épuisés / déplétés

Une autre solution, similaire, est de stocker le gaz dans d’anciens gisement d’hydrocarbures. Cela représenterait > 40% des sites de stockage en Europe. Le gros problème est la contamination du gaz avec des résidus de soufre, qu’il faut ensuite enlever.

Je ne crois néanmoins pas que cela soit envisagé pour l’hydrogène. (à vérifier)

Stockage en cavités salines

Le stockage en cavités salines consiste à créer artificiellement une cavité en injectant de l’eau dans un gisement de sel. Ce dernier se dissous, laissant un creux dans lequel on peut placer du gaz. La pratique est déjà courante pour le stockage de gaz naturel: il y a 170 cavernes salines utilisées à cette fin en Allemagne. On envisage de stocker aussi de l’hydrogène dans ces cavités salines. Le gros avantage de cette démarche est l’étanchéité du dispositif, les parois étant couvertes de cristaux salins. Le sel ne réagirait pas avec l’hydrogène et il y aurait peu de pertes liées aux micro-organismes. Il y a plusieurs sites qui existent déjà (3 aux US, 1 au Royaume-Uni et 1 en France), mais cela reste expérimental.

Globalement, Tarkoswski (2019) est assez pessimiste sur ces modes de stockage :

« Le stockage souterrain de l’hydrogène n’est pas encore et ne sera pas dans les prochaines années un moyen viable et techniquement faisable de stocker de l’énergie. »

Pour aller plus loin, vous pouvez lire notre article Stockage d’hydrogène en cavités salines

Le stockage d’hydrogène sous forme liquide

L’hydrogène se liquéfie à une température très basse (20,28°K, soit -252.87°C). Cette liquéfaction demande énormément d’énergie et libère beaucoup de chaleur. Toutefois, l’hydrogène liquide est beaucoup plus dense que sous sa forme gazeuse: sa masse volumique, à pression atmosphérique, passe de 0,089 88 g/l à 70,973 g/l.

Le gros problème de la liquéfaction d’H2 est qu’elle consomme beaucoup d’énergie et de temps : jusque 40% de l’énergie peut être perdue dans le processus ! Il faut, en outre, conserver cet température extrêmement basse sur la durée, ce qui est un challenge extrêmement difficile.

« Certains constructeurs automobiles se sont intéressés au stockage cryogénique de l’hydrogène sous forme liquide. Cette technique offre aujourd’hui les meilleures performances en termes de masse et de volume (l’hydrogène occupe un volume de 0,38 litre/kWh) mais présente deux inconvénients importants : la liquéfaction est très gourmande en énergie et la sécurité des réservoirs est plus difficile à assurer (phénomène de boil-off2 et fragilité des réservoirs). »

CEA, Les technologies de l’hydrogène au CEA, 2012

Le stockage physique basé sur les matériaux

Des densités de stockage encore plus importantes pourraient être obtenue en stockant l’hydrogène « dans » (par adsorbtion) ou « sur » (par adsorbtion des matériaux.

Si les procédés sont intéressants, surtout les hydrures métalliques, ils ne sont pas encore matures. Ainsi, Moradi et Groth (2019) concluent leur revue:

« [Les méthodes de stockage basées sur les matériaux sont encore à un stade de développement précoce et ont besoin de plus de temps pour démontrer qu’elles sont des solutions viables à long terme.] »

Traduit de l’anglais

Le stockage d’hydrogène par adsorbtion

Définition de l’adsorption: « L’adsorption d’un gaz comme l’hydrogène par un solide, ou physisorption, est l’augmentation de la densité de ce gaz à la surface du solide par l’effet des forces intermoléculaires. » (AFHYPAC, fiche 4.4)

Elle augmente avec la pression et avec la surface du solide et diminue avec la température. La réaction est purement physique, il n’y a pas de changement de composition des molécules: on chage ou décharge l’hydrogène en changeant la pression et/ou la température.

Crédits : AFHYPAC, Stockage solide de l’hydrogène, fiche 4.4

Il faudrait un solide avec une grande surface d’intéraction, à la fois très poreux et très divisé. Il peut notamment s’agir de charbons actifs ou bien de nanotubes de carbone.

« Ainsi les charbons actifs constitués par des micros-cristaux enchevêtrés de graphite, forment un réseau de pores ayant des diamètres de l’ordre du nanomètre. Lorsqu’elles sont cumulées, les surfaces de ces pores représentent une surface active pouvant atteindre plusieurs milliers de m2 par gramme de charbon. »

AFHYPAC, Stockage solide de l’hydrogène, fiche 4.4

Toutefois, les charbons actifs ne pourraient contenir que 2% de leur masse en hydrogène à température ambiante.

Les nanotubes de carbone, ces structures tubulaires nanométriques composées d’enroulements cylindriques de plans de graphite, semblaient aptes à une meilleure adsorption mais les simulations comme les expériences n’ont pas démontré une amélioration substantielle par rapport à ce qu’adsorbent les charbons actifs.

AFHYPAC, Stockage solide de l’hydrogène, fiche 4.4

Le stockage d’hydrogène par absorbtion: les hydrures métalliques

L’absorption ou chimisorption, est la combinaison chimique réversible de l’hydrogène avec les atomes d’une large variété de métaux ou d’alliages pour former des hydrures métalliques ou complexes hydrogène-métal.

Crédits : AFHYPAC, Stockage solide de l’hydrogène, fiche 4.4

Le stockage d’hydrogène sous forme d’hydrures métalliques (métaux capables d’absorber de l’hydrogène) s’émancipe en effet des contraintes liées aux hautes pressions et à la liquéfaction. Cela lui permet

  • Une très bonne efficience (la technologie de McPhy, à base d’hydrures de magnésium, allègue que le processus d’absorbtion-désorbtion restitue 97% de l’hydrogène)
  • Une stabilité dans des situations de pression / températures (relativement) proches de la normale

Toutefois, il en est encore à un stade expérimental et est handicapé par son poids.

Les principaux challenges sont :

  • La nature exothermique (libérant de la chaleur) de l’absorbtion d’hydrogène et endothermique (nécessitant de la chaleur) de sa désorbtion
  • La nécessité de maintenir des conditions précises pour absorber / désorber l’hydrogène.

Le stockage dans les hydrures est le moyen le plus efficace pour obtenir une forte densité volumique d’énergie : le volume occupé peut se réduire à 0,25 litre/kWh dans les conditions normales de température et de pression.

Ceci se fait par contre au détriment du poids, puisque au bilan il faut ajouter le poids du matériau dans lequel l’hydrogène s’insère.

CEA, Les technologies de l’hydrogène au CEA, 2012

Pour aller plus loin, vous pouvez consulter notre article sur les hydrures métalliques.

Le stockage chimique d’hydrogène

Nous avons vu le stockage d’hydrogène « physique », c’est à dire sans réaction chimique (à supposer que l’absorption des hydrures n’en soit pas une, j’ai un doute). Maintenant nous allons voir le stockage chimique d’hydrogène, c’est à dire par l’intermédiaire d’une transformation en une autre molécule. Les principales sont l’ammoniac (NH3), le méthane (CH4) et le méthanol.

L’ammoniac (NH3)

L’ammoniac (attention à ne pas confondre avec l’ammoniaque NH4OH ou NH3 aqueux) est probablement la molécule la plus prometteuse. Tout d’abord, elle est déjà produite depuis 1909 à partir d’hydrogène par le procédé Bosch-Haber pour faire du fertilisant. C’est donc une technologie mature encadrée par ce qu’il faut d’infrastructures, de régulations, etc. Ensuite, ses caractéristiques seraient intéressantes :

« Outre les matériaux solides, l’hydrogène peut être stocké indirectement dans d’autres produits chimiques, comme le méthanol, le méthane ou l’ammoniaque. Parmi celles-ci, l’ammoniaque peut être considéré comme une option bien plus propre grâce à sa structure sans carbone et une capacité d’absorption d’hydrogène élevée, 17,7% du poids. »

Mehmet Sankir et Nurdan Demirci Sankir, Hydrogen storage technologies, éd. Wiley et Scrivener Publishing, 2018, 335p. Traduit de l’anglais

Son point d’ébullistion serait en effet de -33.5°C, il pourrait ainsi être stocké facilement au format liquide à une pression de 8 bars. Il ne serait néanmoins pas utilisé actuellement en raison de sa toxicité, point qui pourrait être traité par le stockage sous forme solide, à l’intérieur de molécules comme les halides ou les borohydrides. (Sankir et Sankir 2018, p.62)

Le méthanol (


Pour aller plus loin

Cet article fait partie de notre dossier “Hydrogène, autonomie et transition énergétique“.

Les papiers scientifiques :