Les systèmes à énergies renouvelables couplés à un stockage hydrogène apportent des solutions nouvelles et innovantes à l'alimentation électrique des milieux peu ou non électrifiés. Le concept de batterie H2 qui équipe ce type de système est une forme de stockage originale qui apporte l'autonomie et l'indépendance électrique pour des longues durées (typiquement stockage saisonnier). Le fonctionnement de cette batterie H2 est le suivant : un électrolyseur produit des gaz (H2 et O2) avec les surplus d'énergie de la source renouvelable ; l'hydrogène, voire l'oxygène, est ensuite stocké dans des réservoirs pour être utilisé ultérieurement grâce à une pile à combustible lorsque la source renouvelable est insuffisante. Dans cette étude, nous nous intéresserons spécifiquement au couplage entre des générateurs photovoltaïques avec une batterie H2/O2 pour l'alimentation d'un site isolé sans interruption. Ces travaux de recherche s'inscrivent dans le projet ANR PEPITE (ANR-PanH 2007-2012) et ont été menés en partenariat avec HELION Hydrogen Power, le CEA Liten et l'Université de Corse. Le projet est également labellisé par les pôles de compétitivité CAPENERGIES et TENERRDIS. Tout d'abord, une réflexion générale s'appuyant sur les propriétés d'une batterie H2/O2 démontre la nécessité d'introduire une batterie (ici au plomb) pour garantir un fonctionnement instantané et sans interruption. Puis, une étude qualitative sur les architectures électriques possibles (bus de tension DC, AC…) a été menée pour s'achever sur une étude quantitative réalisée spécifiquement pour le projet PEPITE. Parallèlement à cela, différentes stratégies de gestions énergétiques ont été proposées afin d'utiliser les deux stockages dans les meilleures conditions, de limiter leur vieillissement ainsi que les pertes. Deux bancs d'essais à échelle réduite (un premier à bus DC et un second à bus AC) ont été réalisés au sein du laboratoire LAPLACE afin de valider les études et de préparer le prototype final qui sera testé sur le site de HELION Hydrogen Power au cours de l'été 2011.

Les systèmes à énergies renouvelables couplés à un stockage hydrogène apportent des solutions nouvelles et innovantes à l'alimentation électrique des milieux peu ou non électrifiés. Le concept de batterie H2 qui équipe ce type de système est une forme de stockage originale qui apporte l'autonomie et l'indépendance électrique pour des longues durées (typiquement stockage saisonnier). Le fonctionnement de cette batterie H2 est le suivant : un électrolyseur produit des gaz (H2 et O2) avec les surplus d'énergie de la source renouvelable ; l'hydrogène, voire l'oxygène, est ensuite stocké dans des réservoirs pour être utilisé ultérieurement grâce à une pile à combustible lorsque la source renouvelable est insuffisante. Dans cette étude, nous nous intéresserons spécifiquement au couplage entre des générateurs photovoltaïques avec une batterie H2/O2 pour l'alimentation d'un site isolé sans interruption. Ces travaux de recherche s'inscrivent dans le projet ANR PEPITE (ANR-PanH 2007-2012) et ont été menés en partenariat avec HELION Hydrogen Power, le CEA Liten et l'Université de Corse. Le projet est également labellisé par les pôles de compétitivité CAPENERGIES et TENERRDIS. Tout d'abord, une réflexion générale s'appuyant sur les propriétés d'une batterie H2/O2 démontre la nécessité d'introduire une batterie (ici au plomb) pour garantir un fonctionnement instantané et sans interruption. Puis, une étude qualitative sur les architectures électriques possibles (bus de tension DC, AC…) a été menée pour s'achever sur une étude quantitative réalisée spécifiquement pour le projet PEPITE. Parallèlement à cela, différentes stratégies de gestions énergétiques ont été proposées afin d'utiliser les deux stockages dans les meilleures conditions, de limiter leur vieillissement ainsi que les pertes. Deux bancs d'essais à échelle réduite (un premier à bus DC et un second à bus AC) ont été réalisés au sein du laboratoire LAPLACE afin de valider les études et de préparer le prototype final qui sera testé sur le site de HELION Hydrogen Power au cours de l'été 2011.

Cette thèse est consacrée à l'étude des métaux-N-H des matériaux pour le stockage d'hydrogène de solide. Le but est de caractériser la synthèse mechanochemical, structurelle et les propriétés d'hydrogénation de Li-N-H, Li-Mg-N-H et des systèmes Li-Mg-B-N-H. Premièrement, l'assimilation hydrogène pendant mechanochemistry de Li3N sous 9 MPA de H2 a été analysée au moyen de l'absorption solide-à-gaz in situ et la Diffraction de Radiographie d'ex-situ (XRD) des mesures. Deux étapes de H-sorption menant à une assimilation hydrogène globale de 9.8wt le % ont été obtenus. La première étape de réaction comprend la transformation de polymorphe-li3n (S.G.P6/mmm) dans li3n (S.G.P63/mmc) métastable la phase et la réaction du dernier avec l'hydrogène pour former lithium imide :-li3n + H2 Li2NH + LiH. La deuxième étape absorbant est lithium imide des convertis à lithium amide / This thesis is dedicated to the study of novel metal-N-H materials for solid state hydrogen storage. The aim is to characterize the mechanochemical synthesis, structural and hydrogenation properties of Li-N-H, Li-Mg-N-H and Li-Mg-B-N-H systems. Firstly, hydrogen uptake during mechanochemistry of Li3N under 9 MPa of H2 has been analyzed by means of in-situ solid-gas absorption and ex-situ X-Ray Diffraction (XRD) measurements. Two H-sorption steps leading to an overall hydrogen uptake of 9.8wt% was obtained. The first reaction step comprises the transformation of polymorph -Li3N (S.G.P6/mmm) into -Li3N (S.G.P63/mmc) metastable phase and the reaction of the latter with hydrogen to form lithium imide: -Li3N + H2 Li2NH + LiH. The second absorption step is lithium imide converts to lithium amide following the reaction scheme Li2NH + H2 LiNH2 + LiH. The assessment of reaction paths in this system as well as of the appraisal of the underlying reaction mechanisms was under taken. Secondly, reactive ball milling (RBM) under H2 of Li3N and Mg powder with a molar ratio of 2:1 was taken on to destabilize Li-N-H system and accelerate its sorption kinetics. The onset dehydrogenation temperature of the as-milled 2Li3N+Mg mixture was detected at 125°C, which is about 75°C lower than that of the Li-N-H system. The structural and phases evolution of the Li-Mg-N-H system during both the synthesis and subsequent hydrogenation/dehydrogenation cycling were characterized by combined analysis of in-situ XRD and neutron powder diffraction (NPD) measurements. It was found step wised for the both processes depending on mainly the temperature and hydrogen pressure to the system. Finally, the effect of the addition of Co-based compounds, lithium borohydides and the combination of them to Li-Mg-N-H system were systematically investigated by XRD, scanning electron microscopy (SEM), fourier transform infra-red (FTIR), differential scanning calorimetry (DSC) and hydrogen storage properties measurements with the aim to overcome the kinetic barriers and further decrease the dehydrogenation temperature. The Li-Mg-B-N-H/3wt% ZrCoH3 composite synthesized by RBM has the best hydrogen storage properties. It is shown that the activation energy was decreased and the N-H bonds were weakened, which could be the main reasons for improving the hydrogen storage properties of Li-Mg-N-H system

Dans ce manuscrit, nous trouverons l'étude et la caractérisation de 3 nouveaux matériaux pour le stockage chimique de l'hydrogène : l'hydrazine borane (N2H4BH3, HB avec 15.3 % m H) et les hydrazinidoboranes de lithium (LiN2H3BH3, LiHB avec 11.6 % m H) et de sodium (NaN2H3BH3, NaHB avec 8.8 % m H). Ces matériaux font partie de la famille des boranes, récemment envisagés comme des matériaux prometteurs pour le stockage chimique de l'hydrogène. Comme exemple type, nous pouvons citer l'ammoniaborane (NH3BH3, AB avec 19.6 % m H), car il possède une capacité massique théorique en hydrogène élevée et débute sa déshydrogénation à une température modérée (122°C). Cependant, la cinétique de déshydrogénation de AB est lente. En outre, des gaz nocifs à la pile à combustible, tel que de la borazine, sont émis au cours de la thermolyse. Dans ce contexte, des dérivés, à savoir les amidoboranes, ont été synthétisés pour améliorer les performances de AB. En effet, les amidoboranes de lithium (LiNH2BH3) et de sodium (NaNH2BH3) génèrent 10.9 et 7.5 % m H (respectivement) à 90°C sans période d'induction et sans formation de borazine. Pour notre étude, nous avons choisi de suivre une stratégie similaire de déstabilisation ; nous avons travaillé sur la modification chimique du HB. Dans le premier chapitre nous présentons le protocole de synthèse de HB ainsi que sa caractérisation chimique, structurale et thermique. La synthèse, une métathèse de sel, a été une optimisation du protocole mis en place en 1961 par Goubeau et Ricker. Nous l'avons optimisé en termes de coût, de rendement (≈ 80 %) et de pureté (≥ 99 %). Les caractérisations chimique et structurale nous ont révélé la présence d'un réseau de liaisons Hδ+•••Hδ-, ce qui confère à HB son état solide ainsi que sa stabilité à température ambiante. Cependant, ce réseau ne met pas en jeu la totalité des motifs de HB, au contraire de AB. Les caractérisations thermiques nous ont confirmé cette observation par une diminution de la température de début de déshydrogénation d'environ 60°C et l'absence de période d'induction lors de la décomposition isotherme. Aucune émission de borazine n'a été enregistrée. Cependant, nous avons mis en avant la formation de N2H4 et de NH3. Par des mesures volumétriques, nous avons enregistré que HB est capable de libérer 6.2 % m H en 3 h à 110°C. Les deux chapitres suivants traitent de la synthèse et caractérisation des hydrazinidoboranes de lithium (chapitre II) et de sodium (chapitre III). Les analyses chimique et structurale ont mis en avant une augmentation du degré de liberté du groupement BH3 pour ces deux matériaux par rapport celui de HB, mais aussi la présence d'un réseau de liaisons Hδ+•••Hδ- moins complexe que dans HB. La synthèse de LiHB donne lieu à la formation de deux polymorphes notés ici α- et β-LiHB. Dans nos conditions, NaHB et LiHB ont présenté des propriétés de déshydrogénation plus intéressantes que HB, avec une déshydrogénation totale lorsqu'ils sont tous deux soumis à une rampe de température. En outre, il a été remarqué une nette diminution de l'émission de NH3 (sans N2H4). Pour NaHB, cette émission peut être supprimée par l'ajout d'un excès de NaH lors de la synthèse. La cinétique de déshydrogénation est également améliorée. Nous avons enregistré une déshydrogénation quasi-totale en 1 h à 150°C pour LiHB (2.6 équiv. H2) et en 24 s à 110°C pour NaHB (2.5 équiv. H2). NaHB montre par ailleurs un comportement non conventionnel lors de sa décomposition à des températures supérieures à 100°C ; il libère la quasi-totalité de son hydrogène en quelques minutes à une vitesse de 4 L H2/min à 110°C. Ces matériaux ont donc démontrés leur potentiel pour le stockage chimique de l'hydrogène. / In this manuscript, we present the study and characterization of three new materials for chemical hydrogen storage: i.e. hydrazine borane (N2H4BH3, HB with 15.3 wt % H), lithium and sodium hydrazinidoboranes (LiN2H3BH3, LiHB with 11.6 wt % H and NaN2H3BH3, NaHB with wt 8.8 % H). These materials belong to boranes' family, which have recently been seen as promising materials for chemical hydrogen storage. A typical example of such materials is ammoniaborane, which has a high theoretical hydrogen content (NH3BH3, AB with 19.6 wt % H) and starts it dehydrogenation at moderate temperature (122°C). However, the dehydrogenation kinetics of AB is slow. In addition, some gaseous impurities are detected; e.g. borazine has been often reported to form. In this context, derivatives of AB, i.e. amidoboranes, have been synthesized with the objective to improve the dehydrogenation properties of the parent AB. Lithium and sodium amidoboranes (LiNH2BH3 and NaNH2BH3) generates 10.9 and 7.5 wt % H (respectively) at 90 ° C without any induction period and no borazine formation. For our study, we have chosen to follow a similar strategy in order to destabilize HB by chemical modification. In the first chapter, we report the synthesis protocol of HB and its chemical, structural and thermal characterizations. The synthesis, which is a salt metathesis, is an optimization of the protocol established in 1961 by Goubeau and Ricker. We optimized it in terms of cost, yield (≈ 80%) and purity (≥ 99%). The chemical and structural characterizations have revealed the presence of a Hδ+••• Hδ- network conferring the solid state to the borane as well as its stability in room conditions. However, the network does not involve all of the HB molecules unlike in the case of AB. Thermal characterizations have confirmed this observation through a decreased onset temperature of about 60 °C and the absence of an induction period. No emission of borazine was besides recorded. However, we put forward the formation of N2H4 and NH3. By volumetric measurements, we demonstrated that HB is able to release 6.2 wt % H2 in 3 h at 110 ° C. Chapters II and III deal with the synthesis and characterization of lithium (Chapter II) and sodium (Chapter III) hydrazinidoboranes. We performed detailed chemical and structural characterizations that revealed an increase of the degree of freedom of the BH3 group for these materials compared to HB, but also the presence of the Hδ+ •••Hδ- network but it is less complex than in HB. The LiHB synthesis has put forward the formation of two polymorphs, here noted α- and β-LiHB. In our conditions, Na- and Li-HB have presented more attractive dehydrogenation properties compared to HB, with a total dehydrogenation and a net decrease in the emission of NH3 (without N2H4) when both materials are subjected to a temperature ramp. The emission of unwanted NH3 can be hindered for NaHB by adding an excess of NaH during the synthesis. The dehydrogenation kinetics is also improved. We recorded an almost complete dehydrogenation with 2.6 equiv. H2 in 1 h at 150 ° C for LiHB and with 2.5 equiv. H2 in 24 s at 110 ° C for NaHB. Note that NaHB shows an unconventional behavior upon isothermal decomposition at temperatures above 100 ° C since it releases substantially all of its hydrogen in few minutes with the very high rate of 4 L H2/min at 110 ° C. These materials have thus demonstrated their potential for chemical hydrogen storage.

Cette thèse s'inscrit dans la thématique du stockage de l'hydrogène sous forme d'hydrure métallique. Pour pallier aux coûts importants des éléments utilisés pour l'élaboration des matériaux hydrurables, il est possible d'utiliser des alliages de pureté moindre comme précurseurs. Cela implique la présence d'éléments supplémentaires dans matériaux. Le matériau étudié appartient à la famille des composés intermétalliques Ti-V-Fe de structure cubique centrée. Cette structure est connue pour donner de fortes capacités réversibles d'absorption d'hydrogène durant une utilisation dans des conditions proches de l’ambiant. Grâce à une modélisation des principaux paramètres des hydrures formés à partir de ces alliages, il est apparu que le composé Ti15V71Fe14 présente des pressions d’équilibre intéressantes à température ambiante. Toutes les propriétés de ce matériau de référence ont été mesurées par diffraction des rayons X, microsonde de Castaing, microscopie à balayage électronique et banc d’hydruration. Une petite quantité des éléments d’addition est ajoutée individuellement puis ensemble dans la composition du matériau référent. Les échantillons sont analysés et les résultats sont comparés à ceux obtenus avec le référent. Il apparait que l’aluminium forme une solution solide de structure cubique centrée simple et améliore la capacité d’absorption du matériau référent. Il en est de même pour le silicium malgré un comportement plus complexe avec l’apparition de plusieurs phases supplémentaires. En contrepartie la vitesse d’absorption de l’hydrogène dans le matériau est diminuée / This Ph.D takes place on the hydrogen storage theme in metal hydride. In order to reduce the cost of the elements used for the preparation of hydridable materials, it is possible to use lower purity alloys as precursors. The compound selected belongs to the body centered cubic family consisting of Ti, V and Fe. This structure is known to store reversibly good quantities of hydrogen in conditions close to ambient. Thanks to modeling of the main parameters, it appears that the compound Ti15V71Fe14 presents interesting equilibrium pressure at room temperature. All properties of this reference material are measured by X-ray diffraction, EPMA, scanning electron microscopy and hydriding apparatus. A small amount of alloying elements has then been added individually then together in the composition of the reference material. Samples are analyzed and the results are compared to the referent. It appears that aluminum forms a solid solution of body centered cubic structure and improves the absorption capacity of the reference material. It is the same for silicon despite more complex behavior with the formation of several additional phases. In return the absorption kinetic of the material is reduced

Les systèmes à énergies renouvelables couplés à un stockage hydrogène apportent des solutions nouvelles et innovantes à l'alimentation électrique des milieux peu ou non électrifiés. Le concept de batterie H2 qui équipe ce type de système est une forme de stockage originale qui apporte l'autonomie et l'indépendance électrique pour des longues durées (typiquement stockage saisonnier). Le fonctionnement de cette batterie H2 est le suivant : un électrolyseur produit des gaz (H2 et O2) avec les surplus d'énergie de la source renouvelable ; l'hydrogène, voire l'oxygène, est ensuite stocké dans des réservoirs pour être utilisé ultérieurement grâce à une pile à combustible lorsque la source renouvelable est insuffisante. Dans cette étude, nous nous intéresserons spécifiquement au couplage entre des générateurs photovoltaïques avec une batterie H2/O2 pour l'alimentation d'un site isolé sans interruption. Ces travaux de recherche s'inscrivent dans le projet ANR PEPITE (ANR-PanH 2007-2012) et ont été menés en partenariat avec HELION Hydrogen Power, le CEA Liten et l'Université de Corse. Le projet est également labellisé par les pôles de compétitivité CAPENERGIES et TENERRDIS. Tout d'abord, une réflexion générale s'appuyant sur les propriétés d'une batterie H2/O2 démontre la nécessité d'introduire une batterie (ici au plomb) pour garantir un fonctionnement instantané et sans interruption. Puis, une étude qualitative sur les architectures électriques possibles (bus de tension DC, AC…) a été menée pour s'achever sur une étude quantitative réalisée spécifiquement pour le projet PEPITE. Parallèlement à cela, différentes stratégies de gestions énergétiques ont été proposées afin d'utiliser les deux stockages dans les meilleures conditions, de limiter leur vieillissement ainsi que les pertes. Deux bancs d'essais à échelle réduite (un premier à bus DC et un second à bus AC) ont été réalisés au sein du laboratoire LAPLACE afin de valider les études et de préparer le prototype final qui sera testé sur le site de HELION Hydrogen Power au cours de l'été 2011. / Renewable energy systems coupled to a hydrogen storage bring new and innovative solutions to supply power to environments with little or no electricity. The concept of H2 battery which is a part of such system is a form of storage that gives autonomy and electric independence for long periods (typically seasonal storage). The operation of this H2 battery is this: an electrolyser produces gases (H2 and O2) with the extra energy from the renewable source. Hydrogen or oxygen is then stored in tanks for later use with a fuel cell when the renewable source becomes insufficient. In this study, we focus specifically on the coupling between photovoltaic arrays with a H2/O2 battery to supply power to a remote site without interruption. This work is part of the PEPITE Project, partially funded by the french National Research Agency (ANR-Panh 2007-2011) and was conducted in partnership with HELION Hydrogen Power, CEA-Liten and the University of Corsica. The project is also accredited by the CAPENERGIES and TENERRDIS clusters. First, a general discussion based on the properties of a H2/O2 battery demonstrates the need to introduce a secondary battery (lead in our case) to ensure an instant and uninterrupted operation. Then, a qualitative study on the possible electrical architectures (DC bus or AC bus) was conducted and resulted in a quantitative study conducted specifically for the PEPITE project. At the same time, various energy management strategies have been proposed to use both storage in the best conditions, limiting their losses and aging. Two small scale bench tests (one with a DC bus and a second with an AC bus) were performed in the LAPLACE laboratory to validate our strategies and prepare the final prototype which will be tested on the site of HELION Hydrogen Power during the summer of 2011.