L'hydrogène liquide (LH2) c'est quoi ?

L'hydrogène liquide (LH2) c'est quoi ?
Longtemps utilisé comme combustible pour les lanceurs de fusée, l’hydrogène liquide, également appelé LH2, est en passe de se démocratiser plus largement dans le secteur de la mobilité.
 

Quelles sont les propriétés et caractéristiques de l’hydrogène liquide ?

Au même titre que le GNL, qui repose sur la liquéfaction du gaz naturel, l' hydrogène liquide est obtenu en refroidissant l'hydrogène gazeux à des températures extrêmement basses (-273,15 °C).

À ces températures, l'hydrogène subit une transition de phase, passant de l'état gazeux à l'état liquide. Cette transformation confère à l'hydrogène liquide des propriétés physiques et chimiques uniques, telles qu'une densité énergétique élevée. Là où l’hydrogène gazeux atteint une masse volumique de 0.08988 g/L, celle de l’hydrogène atteint 70.973 g/L, soit 71 kg/m3. Contrairement à l’hydrogène gazeux, il n’a pas à être stocké sous une forte pression.

Sa capacité à stocker et à transporter de grandes quantités d'énergie en fait ainsi un candidat idéal pour les applications nécessitant une haute densité énergétique.
 
  Hydrogène gazeux Hydrogène liquide
Masse volumique 0.08988 g/L 70.973 g/L
Densité 40 kg/m3 sous 700 bars 71 kg/m3 à 1 bar
 

Comment est fabriqué l’hydrogène liquide ?

La découverte de l’hydrogène liquide n’est pas récente. Le chimiste écossais James Dewar fut le premier à parvenir à liquéfier l’hydrogène en 1899.

La production d'hydrogène liquide repose sur deux étapes principales : la production d'hydrogène gazeux suivi de son refroidissement grâce à des réfrigérants cryogéniques, tels que l'hélium liquide, pour atteindre l'état liquide.
 
L’hydrogène liquide est-il écologique ?

Oui et non… tout va dépendre de la façon dont l’hydrogène est produit à l’origine. On retrouvera ainsi les différentes couleurs de l’hydrogène. L’hydrogène vert – dont la production est assurée par électrolyse – est ainsi bien plus vertueux que l'hydrogène gris, produit à partir du méthane.
 

Quelles applications de l’hydrogène liquide ?

L'hydrogène liquide trouve des applications dans divers domaines :

L’industrie spatiale

En raison de sa haute performance énergétique, l’hydrogène liquide peut être utilisé comme ergol dans les lanceurs spatiaux.

Le stockage et le transport

Moins volatile et plus dense en énergie que l’hydrogène gazeux, l’hydrogène liquide est idéal pour le stockage à grande échelle. Pour le transport par voie maritime, plusieurs hydrogéniers – équivalents des méthaniers pour le GNL – sont en construction pour assurer facilement son transport aux quatre coins du globe.

 
Mis en service en 2021, le Suiso Frontier est l'un des premiers hydrogéniers au monde
 

La mobilité

L'hydrogène liquide peut être utilisé comme carburant pour les véhicules à pile à combustible ou à moteur hydrogène, offrant une autonomie plus longue et un temps de ravitaillement réduit par rapport à l'hydrogène gazeux. Il est notamment utilisé dans le milieu de la compétition par Toyota qui a développé un prototype de Corolla équipé d'un moteur à combustion alimenté à l’hydrogène liquide. Dans le secteur du transport lourd, Daimler travaille sur un camion à hydrogène liquide.
 
Les secteurs du transport maritime, du ferroviaire et de l'aviation pourraient également bénéficier de cette technologie.
 

Quels sont les avantages de l’hydrogène liquide ?

Une densité énergétique élevée

L'hydrogène liquide possède une densité énergétique très élevée, ce qui signifie qu'il peut stocker et transporter une quantité d’énergie supérieure à l’hydrogène gazeux à volume égal. Cela en fait un excellent candidat pour le stockage d'énergie à grande échelle, notamment dans les domaines de la production d'électricité et des systèmes de stockage d'énergie renouvelable, mais aussi pour toutes les applications de mobilité ayant des besoins énergétiques élevés.

Un combustible « propre » (à l’usage)

S'il sera plus ou moins propre selon la méthode de production choisie, l'hydrogène liquide produit uniquement de l'eau comme sous-produit, ce qui en fait un combustible propre et respectueux de l'environnement. Il ne génère pas de pollution atmosphérique ni de gaz à effet de serre.
 

Quels sont les inconvénients de l’hydrogène liquide ?

Meilleure autonomie, forte densité énergétique, facilité de stockage… si l’hydrogène liquide offre de nombreux avantages, il n’est pas exempt de défauts.

Le principal problème réside dans sa température de stockage (-273,15 °C) qui nécessite des mesures de sécurité strictes. Des problématiques proches de celles observées sur le gaz naturel liquéfié.  

Un bilan énergétique plus élevé

Il n’y a pas de secret : l’hydrogène liquide étant issu d’une cryogénisation de l’hydrogène gazeux, sa production entraine des dépenses énergétiques supplémentaires. Un litre d’hydrogène  liquide (73,5 g) contient environ 2,4 kWh d’énergie. Pour l’obtenir, il aura fallu produire à l’origine 0,8 Nm3 d'hydrogène gazeux par électrolyse avec 3,8 kWh d'électricité. S’y ajoute une consommation additionnelle de 1 kWh pour sa liquéfaction, soit au total 4,8 kWh. Pour obtenir 1 litre d'hydrogène liquide contenant 2,4 kWh, il aura donc fallu dépenser 4.8 kWh. Un coût énergétique qui devrait à terme diminuer grâce à l’amélioration des process et des rendements.

Pertes à l’évaporation : la gestion du « boil off » 

L’hydrogène liquide est stocké dans des sortes de gros thermos qui, au fil du temps, se réchauffe. Une partie de l’hydrogène liquide stocké retrouve ainsi son état gazeux et met la cuve sous pression. Pour soulager cette pression, l’hydrogène peut être directement « reliquéfier » via un système spécifique, ce qui implique des équipements (et des coûts) supplémentaires, où brûlé par l’intermédiaire du torchage, ce qui implique évidemment une « perte » de carburant.
 
A noter :  Comme le LH2 est stocké à une température plus basse que le GNL, le phénomène d’évaporation est plus rapide à isolation équivalente.  
 

Nécessité du port des EPI (Equipements de Protection Individuel)

Compte tenu de sa température, l’hydrogène liquide peut provoquer d’importantes brûlures s’il venait à être exposé à la chair humaine. Visière, gants et vêtements à manches longues… comme pour les chauffeurs réalisant leurs pleins sur des stations GNL, il est obligatoire de porter un équipement de protection complet lors des opérations d’avitaillement.

Une offre de véhicules inexistante

Au-delà des quelques expérimentations menées en compétition, il n’existe pas à ce stade d’offres de véhicules alimentés à l’hydrogène liquide. En construction, celle-ci pourrait apparaitre d’ici à la fin de la décennie.  

Manque de normes pour les stations

Comme son utilisation pour la mobilité terrestre est relativement récente, l’hydrogène liquide n’est pas encore totalement normé sur la partie ravitaillement. Une absence de réglementation de nature à ralentir l’émergence de la filière.

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