Optimiser les réservoirs d’hydrogène liquide des véhicules lourds de demain

L’hydrogène est l’une des solutions envisagées pour la mobilité propre des véhicules lourds de demain : poids lourds, bateaux et avions. Pour le stockage embarqué de ce combustible, l’hydrogène sous sa forme liquide semble la piste la plus privilégiée comparée à sa forme gazeuse ou solide, car cette solution offre un meilleur rendement volumique. Compter 4 litres d’hydrogène liquide pour obtenir l’équivalent d’un litre d’essence, contre 7 litres pour de l’hydrogène gazeux. L’IRT (Institut de recherche technologique) Jules-Verne vient de lancer un projet, baptisé Nomade, dont l’objectif est d’optimiser les volumes des réservoirs d’hydrogène liquide. Il rassemble un consortium¹ d’entreprises des filières industrielles aéronautique, navale et terrestre parmi lesquelles Airbus, Naval Group, et Faurecia, ainsi que des instituts de recherche, notamment le CEA et l’École Centrale de Nantes.

Toute la problématique du stockage de l’hydrogène liquide repose sur la nécessité de le maintenir à des températures cryogéniques, c’est-à-dire à -253 degrés Celsius. « À pression constante, lorsque l’hydrogène se réchauffe, il se gazéifie et le liquide se transforme en gaz et entraîne une montée en pression à l’intérieur du réservoir, analyse Thomas Pannelier, le chef de ce projet à l’IRT Jules-Verne. Ce phénomène est appelé le « boil-off ». Lorsque la capacité critique du réservoir à supporter l’augmentation de la pression est atteinte, il faut alors dégazer cet hydrogène dans l’atmosphère, ce qui pose d’évidents problèmes d’efficacité de ces réservoirs. La durée durant laquelle il n’est pas nécessaire de ventiler l’hydrogène pour le refroidir ou le relarguer est appelée le « dormancy time ». »

L’enjeu de ce type de stockage pour la mobilité propre est donc de parvenir à optimiser cette durée, qui n’est pas la même en fonction des applications. Pour les camions, l’objectif est de réussir à stocker l’hydrogène liquide sans le ventiler pendant environ 48 heures, car certains d’entre eux peuvent rester stationnés sur un parking tout un week-end. Tandis que pour les avions, le « dormancy time » à atteindre est d’environ 24 heures.

Veiller à ne pas augmenter la masse des réservoirs

Face à ces contraintes, il serait par exemple possible d’augmenter l’épaisseur des parois des réservoirs pour qu’ils supportent de plus grandes pressions, ou alors d’accroître leur volume afin de diminuer leur taux de remplissage. Mais ces solutions ne sont pas retenues, car elles conduiraient à augmenter la masse de ces cuves et entraîneraient la réduction de l’espace nécessaire pour le transport des passagers ou des marchandises.

Le principal objectif du projet Nomade va consister à revoir l’isolation thermique des réservoirs. Ceux-ci sont constitués, à l’image d’une bouteille thermos, d’une double paroi, à l’intérieur de laquelle est positionnée une isolation multicouche sous vide. Traditionnellement, les matériaux multicouches utilisés sont des composés de non-tissés de verre, intercalés avec des films en aluminium. L’optimisation de cette isolation thermique repose sur la bonne combinaison entre des matériaux de qualité et des vides poussés. « Les performances des matériaux sont liées au niveau de vide qui doit se situer entre 10-4 à 10-6 millibar, complète Thomas Pannelier. Il faut donc être particulièrement vigilant aux pertes de vide, qui peuvent dégrader l’isolation thermique et devenir problématiques. »

Outre le pilotage de ce projet, l’IRT Jules-Verne va apporter son expertise dans la modélisation thermique et thermodynamique des réservoirs, afin de définir la meilleure manière de les « architecturer ». Un travail sur la caractérisation des matériaux dans des gammes de températures cryogéniques sera aussi réalisé. Des procédés seront également développés pour mettre en œuvre ces isolations et refermer la double paroi. « L’un des points importants de notre travail va consister à parvenir à automatiser les process de fabrication des réservoirs pour qu’ils soient compatibles avec les cadences des lignes de production des avions, des bateaux et des camions, poursuit Thomas Pannelier. Nous allons aussi devoir mettre au point du contrôle non destructif pour garantir la qualité de fabrication de ces réservoirs. »

Lorsque les scientifiques de ce projet auront réussi à développer des isolations thermiques compatibles avec les « dormancy time » espérés, un autre projet pourrait débuter afin de parvenir à alléger les réservoirs en optimisant leur ratio gravimétrique. Ce terme correspond à la masse d’hydrogène embarqué sur la masse du réservoir. Alors que les réservoirs actuels ont un ratio autour de 5 %, l’objectif serait qu’il dépasse 10 %.

Le projet Nomade est doté d’un budget de 5 millions et financé à 50 % par l’IRT Jules-Verne, à travers les fonds du PIA (Programme d’investissements d’avenir), et à 50 % par les partenaires industriels. Il vient tout juste de débuter et doit se terminer dans 3 ans.

¹ L’ensemble du consortium regroupe : Airbus, Aperam, le CEA, l’ECN (École Centrale Nantes), Daher, Faurecia, Fives, Flying Whales, l’IRT Saint Exupéry, Naval Group et Rafaut Group