Comment les «sapins de Noël» peuvent-ils améliorer les technologies d'approvisionnement en hydrogène ?
Sofia Capito, coordinatrice du projet HYTRANSFER, décrit comment ce dernier vise à améliorer le ravitaillement des véhicules à hydrogène (FCV, pour «fuel cell vehicle»).
Simulation du remplissage d'un réservoir d'hydrogène 531 litres avec de l'hydrogène à -20°C pendant 25 minutes. Source: Air Liquide-AT / HYT 2014
Comment garantir un approvisionnement à la fois sûr, rapide et efficace, des voitures fonctionnant à l'hydrogène? Ce casse-tête, dont la solution sera la clé d'un déploiement réussi de cette technologie dans nos futures économies écologiques, sera peut-être résolu grâce aux capteurs et au modèle de prévisions développés par l'équipe du projet HYTRANSFER.
Les personnes qui ne sont pas convaincues du potentiel commercial de l'hydrogène sont souvent sceptiques sur le procédé de ravitaillement. En effet, cette activité nécessitera des infrastructures dont la construction prendra des décennies et sera un défi à elle seule.
Imaginez que vous êtes propriétaire d'une voiture à hydrogène (un FCV, pour «fuel cell vehicle») et devez faire le plein avant un long trajet. Avec une voiture à essence, l'opération prend maximum une minute, alors qu'elle prend près de trois minutes avec les FCV. Et obtenir ce résultat ne fut pas vraiment une partie de plaisir pour les ingénieurs: à la différence de l'essence ou du diesel, la température de l'hydrogène augmente lorsque le gaz est compressé dans le réservoir. Cependant, les matériaux composites utilisés pour la fabrication des réservoirs, s'ils permettent d'alléger cette pièce, ne peuvent supporter des températures supérieures à 85°C. Ainsi, afin qu'il soit possible de faire le plein en trois minutes, les stations actuelles doivent refroidir l'hydrogène jusqu'à -40°C.
Le projet HYTRANSFER («Pre-Normative Research for Thermodynamic Optimization of Fast Hydrogen Transfer»), qui a démarré en juin 2013 et se terminera en novembre 2015, vise à rendre le ravitaillement (et la vidange) plus efficace. Si cet objectif était atteint, l'investissement nécessaire à cette technologie et les coûts opérationnels associés seraient réduits, la fiabilité des stations d'approvisionnement serait améliorée et le temps d'approvisionnement raccourci, ce qui serait un bonus pour le déploiement réussi de cette technologie.
Sofia Capito, la coordinatrice du projet, nous présente les résultats obtenus à ce jour par le projet HYTRANSFER et explique ce qu'il reste à faire pour atteindre l'objectif final et fournir de nouvelles recommandations destinées à alimenter les normes et protocoles d'approvisionnement internationaux.
Quels sont les principaux objectifs du projet ?
Au sein du projet HYTRANSFER, nous développons des méthodes et des procédés qui permettent de modifier et de réduire les besoins de refroidissement lors du ravitaillement, et nous participons donc à la diminution des dépenses, d'investissement et opérationnelles, des stations d'approvisionnement. Les expériences ont montré qu'il y a peu de transfert de chaleur entre l'hydrogène et le réservoir. Donc, même lorsque l'hydrogène atteint 85°C dans le réservoir, la température maximum que les réservoirs en matériaux composites peuvent supporter, les parois de ce dernier sont bien moins chaudes. Les expériences faites avec de l'azote montrent une différence de 27°C! Avec l'aide de la thermodynamique, il est possible de déterminer le lien entre l'hydrogène pompé, les paramètres de remplissage, comme le flux de gaz, et la température ambiante et, ainsi, définir un procédé de transfert d'hydrogène optimisé pour les conditions aux limites réelles.
Quelles étaient les principales difficultés auxquelles vous avez été confronté et comment les avez-vous résolues ?
Heureusement, le projet avance bien et nous avons rencontré peu d'obstacles. Pour les expériences du projet, des capteurs doivent être présents dans les parois des réservoirs: c'est un défi pour les fabricants de tels équipements qui participent au projet, dont Hexagon Lincoln. De plus, un ou deux capteurs ne suffisent pas, il en faut 30 par réservoir. L'installation de capteurs au moment de la fabrication est assez délicate, mais les deux fabricants ont fait beaucoup d'efforts et y sont parvenus. Grâce à ces capteurs, nous pouvons mesurer la température des parois des réservoirs. Mais nous devons également mesurer la température du gaz lui-même, dans différentes zones du réservoir. Comme l'ouverture des réservoirs ne fait que quelques millimètres de diamètre, nous avons eu l'idée d'assembler les capteurs en «sapin de Noël», l'ensemble est assez fin pour passer dans le goulot, avant de se déployer à l'intérieur, exactement comme les bateaux dans les bouteilles.
Où en est le projet ? Avez-vous pu maîtriser la température de façon satisfaisante ?
Pour le moment, des équipes de trois laboratoires différents font des expériences sur trois types de réservoirs, cette répartition assure la fiabilité et reproductibilité des résultats. Beaucoup de ces expériences ont lieu au Centre commun de recherche de la Commission européenne, qui est un partenaire du projet. En parallèle, des simulations en mécanique des fluides numérique sont développées afin d'être cohérentes avec les résultats des expériences. TesTneT, qui est un partenaire du projet, est en train de valider les résultats des expériences initiales, tandis que l'institut PPRIME (institut de recherche français regroupant le CNRS, l'ENSMA et l'université de Poitiers) a déjà livré des mesures détaillées des propriétés thermiques des réservoirs utilisés. Un modèle simplifié, dont le temps de calcul est considérablement réduit, de quelques secondes à quelques minutes plutôt que des jours ou des semaines, a également été validé. Pour l'instant, nos expériences et nos exercices de modélisation valident notre hypothèse selon laquelle l'étape de refroidissement préalable peut être grandement améliorée.
Pensez-vous réellement que votre approche peut influencer les normes internationales ?
L'une des premières étapes du projet HYTRANSFER fut l'analyse des possibilités d'optimisation du mécanisme de transfert d'hydrogène, en prenant en compte les régulations, les codes et les normes (RCS pour «regulations, codes and standards») internationaux existants, ainsi que les limites des dernières avancées technologiques dans le domaine. Suite à cet examen et au vu des résultats obtenus jusqu'à maintenant, nous sommes confiants et pensons que le projet fournira des résultats expérimentaux validés qui se traduiront par des recommandations importantes en matière de RCS.
Le groupe CCS Global (CCS), qui joue un rôle prédominant depuis des décennies dans le développement de RCS et le respect de ces normes, dans les secteurs de l'électricité, des FCV, surveille nos activités normatives et nos résultats de tests afin que nous puissions identifier et formuler des recommandations RCS, et pousser ces dernières en direction des organismes internationaux (par exemple CEN/ISO).
Comment vos résultats peuvent-ils stimuler le marché des voitures à hydrogène ?
Ces voitures ne seront pas plus performantes en tant que telles, mais l'interaction entre les stations de ravitaillement et les véhicules à hydrogène sera améliorée. Les utilisateurs bénéficieront d'un temps de ravitaillement réduit, d'une meilleure fiabilité des stations et même d'un prix de l'hydrogène moins élevé. L'entreprise Ludwig-Bölkow-Systemtechnik (LBST) effectuera une analyse économique et technologique détaillée de nature à identifier les conséquences du procédé amélioré.
Quelles sont les étapes suivantes du projet et un suivi est-il prévu une fois le projet terminé ?
Les véhicules actuels sont généralement équipés, non pas d'un, mais de deux ou trois réservoirs connectés. Nous devons donc trouver un procédé de ravitaillement viable à la fois pour les réservoirs uniques et pour les ensembles de réservoirs. La prochaine étape consistera à conclure nos expériences sur les réservoirs uniques et élargir nos simulations sur la base de ce que nous aurons découvert. Ensuite, un nouveau protocole de ravitaillement sera développé et testé sur des ensembles de réservoirs fournis par des fabricants de FCV et par Honda, un des partenaires du projet.
HYTRANSFER sera un succès lorsque d'un nouveau procédé de ravitaillement sera publié en tant que recommandation à destination des organismes internationaux en charges des normes, et lorsque nos recommandations en matière de vidange seront publiées.
Nous n'avons pas encore planifié de suivi, mais à la fin du projet, lorsque les résultats seront pris en compte dans les normes internationales, des validations plus avancées seront nécessaires, ainsi que des expériences avec un périmètre plus large.
Pour plus d'information voir: HYTRANSFER
Et bonne année à tous.
Outre une production compliquée, l’Hydrogène a également la priorité d’être un gaz fortement inflammable en présence de l'oxygène de l'air.
.
