Hydrogen

La transition énergétique avec SotayTank

Au fil du temps, SotayTank a imaginé faire évoluer la bouteille en fibre de verre, actuellement utilisée pour la résine de nos adoucisseurs d’eau, vers un produit composite haut de gamme « Type IV » destiné à d’autres secteurs. Et notamment le marché du stockage d’énergie.
« Il s’agit de concevoir des bouteilles de manière à pouvoir accueillir de l’hydrogène. Des réservoirs à intégrer dans la conception des transports d’énergie, suivant le principe du stockage haute pression sous forme gazeuse.
Alors que le potentiel de l’hydrogène en tant que source d’énergie propre, renouvelable et évolutive devient évident, les avis divergent sur le marché quant à la meilleure façon de stocker les grands volumes de H2 nécessaires à diverses applications énergétiques.
Cylindres en fibre de verre, réservoir d’hydrogène en fibre de carbone

Stockage renouvelable. l’énergie sous forme d’hydrogène de manière efficace

Pour que l’hydrogène devienne véritablement le vecteur énergétique de demain, il doit être disponible à tout moment. Dans ce contexte, développer des méthodes efficaces de stockage et de distribution est un enjeu crucial. Aujourd’hui, le stockage de l’hydrogène reste la solution la plus satisfaisante en attendant des spécifications techniques et économiques stables de la part des constructeurs. Il existe trois stratégies de stockage différentes selon l’état de l’hydrogène (solide, liquide et gazeux). Son conditionnement sous forme gazeuse reste néanmoins l’option la plus prometteuse. Le stockage sous forme de gaz comprimé à très hautes pressions apparaît actuellement comme la solution offrant le meilleur compromis en termes de masse volumique et de densité.
Des progrès sur le mode et les pressions de stockage ont été réalisés en passant de 200 bars à 350 bars dans le cas des bouteilles distribuées dans l’industrie.
Le récipient sous pression de type IV 500 bars de NPROXX est désormais certifié. Il permet aux clients du monde entier de transporter et de stocker de l’hydrogène en grande quantité.
Désormais, les développements s’orientent vers des réservoirs pouvant résister à des pressions de 700 bars.

Pour un transport plus facile et plus efficace, l’hydrogène est stocké dans des réservoirs ou des bouteilles en matériaux composites de « type IV » (principalement des fibres de carbone) avec un revêtement en polymère (thermoplastique ou thermodurcissable). Dans ce cas, le liner ne supporte pas la charge, il assure seulement l’étanchéité à l’hydrogène. Les propriétés particulières des polymères permettent de prolonger considérablement la tenue en fatigue du réservoir et leur faible densité permet de réduire la masse totale de l’ensemble. Cette combinaison permet d’atteindre des niveaux de pression élevés comparables à ceux des réservoirs de type III (700 bar). Le stockage de l’hydrogène de type IV est actuellement la technologie la plus avancée.

Bien que le développement de réservoirs de type IV soit actuellement la solution la plus satisfaisante, compte tenu de l’ensemble des spécifications techniques et économiques formulées par les constructeurs, un réservoir mal dimensionné peut avoir des conséquences très préjudiciables en termes de sécurité, de fiabilité, de performances et de coût. Pour améliorer les performances et la durabilité des réservoirs, des progrès et divers tests sont encore nécessaires.

C’est dans ce contexte que s’inscrit l’investissement de développement au sein de la société SotayTank. Nous avons étudié le stockage de l’hydrogène dans des réservoirs de type IV, en composites carbone/époxy pour des applications dans le domaine du stockage et du transport d’énergie. Notre objectif est d’identifier les mécanismes spécifiques d’endommagement des différents constituants des réservoirs, de déterminer leur durabilité dans des conditions normales de service (hors accidents/incidents) et de fournir un retour d’expérience sur les technologies, les outils de conception, de développement et de caractérisation. voir qualification de ces réservoirs.
Pour atteindre ces objectifs, différentes étapes sont nécessaires :

1. Caractériser le comportement mécanique et physique des matériaux utilisés
2. Suivre l’évolution des dommages lors de chargements quasi-statiques ainsi que la durabilité aux températures extrêmes (-40°C à 85°C)
3. Réaliser des simulations multi-échelles pour développer des bases de données liées aux propriétés physiques des matériaux et à leurs dommages
4. Mettre à disposition des bureaux d’études des lois de comportement et des critères de dimensionnement pour la simulation de réservoirs complets.

L’ensemble de ce processus est présenté dans ce projet d’aide à l’investissement.
Notre activité de recherche et développement consiste à travailler notamment sur la résistance mécanique des matériaux composant ces flacons dans le temps. Nous devons réaliser des essais de fatigue accélérés utilisant des cycles de remplissage et de perméabilité à très haute pression pour garantir leur parfaite étanchéité. L’ensemble de ces recherches poseront les bases scientifiques du comportement des matériaux et contribueront à déterminer les critères de conception des réservoirs.

Grâce à ces travaux de recherche, SotayTank devient un acteur déterminant dans la définition des normes de sécurité qui doivent être mises en œuvre pour assurer une sécurité maximale à l’utilisateur final.
Un autre axe de recherche pour SotayTank est le développement de technologies de contrôle des bouteilles lors de leur utilisation. Cette étape est également essentielle pour la sécurité des utilisateurs et consiste à s’assurer de l’absence de défauts tels que des microfissures. Pour cela, il faut obtenir auprès des chercheurs, des méthodes de contrôles non destructifs comme l’émission acoustique pour détecter ce type d’anomalie.

L’hydrogène est l’élément le plus léger et sans doute le plus puissant de tous. Compte tenu de ces deux éléments, fournir une quantité importante d’hydrogène à une pile à combustible ou à un moteur thermique constitue un enjeu majeur. L’hydrogène doit donc être stocké à haute densité afin de contenir suffisamment de carburant dans un espace raisonnable pour alimenter une pile à combustible dans une application mobile comme un camion ou un train. Les deux moyens les plus accessibles pour y parvenir sont de stocker le H2 sous forme de gaz hautement comprimé ou de liquide cryogénique.
Les deux approches présentent des avantages et des inconvénients. En raison de son volume considérablement réduit, le stockage de liquides peut mieux fonctionner lorsque de grandes quantités sont transportées. Par exemple, la cryogénie est souvent envisagée pour le transport de gros volumes d’hydrogène, comme le montre la distribution du gaz naturel du Moyen-Orient dans des pétroliers géants.
Cependant, cette option n’offre pas de solution adaptable à la diversité moderne des méthodes d’utilisation de l’hydrogène. Chez SotayTank, nous pensons que la bataille du stockage quotidien de l’hydrogène est déjà et continuera d’être gagnée grâce au gaz à haute pression, stocké dans des récipients sous pression de type IV en fibre de carbone solides et légers.

Le moteur à hydrogène

Les caractéristiques physico-chimiques de l’hydrogène en font un bon candidat pour une utilisation comme carburant dans un moteur à allumage commandé de type « essence ». Le principal avantage réside dans le bilan environnemental : associée à l’oxygène, la combustion de l’hydrogène produit principalement de l’eau et de la chaleur et ne rejette que des oxydes d’azote (NOx). Cependant, cette solution nécessite des adaptations spécifiques pour obtenir un très haut rendement et de très faibles émissions de NOx. Il faut notamment exploiter différentes propriétés de l’hydrogène comme sa capacité à brûler rapidement dans un mélange très pauvre.

L’utilisation de l’hydrogène dans un moteur à combustion interne permet de bénéficier des dernières avancées en matière de moteur thermique et de couplage avec une motorisation hybride. Ainsi, en s’appuyant sur des technologies plus robustes et plus matures que celles actuellement utilisées pour les piles à combustible, il serait possible d’atteindre un rendement supérieur à 50 %. Cela pourrait être une solution de transition vers la pile à combustible puisqu’elle permet d’entamer la validation de toute la chaîne de production et de distribution d’hydrogène à partir des outils de production industrielle existants.

La pile à combustible dans les voitures électriques

A long terme, les constructeurs automobiles s’intéressent également aux piles à combustible (ou Fuel Cell), comme générateurs d’électricité pour les véhicules électriques. Ceci afin de compléter les solutions de véhicules électriques alimentés par batteries, qui souffrent aujourd’hui de la limitation de l’autonomie et du temps de recharge de ces batteries. L’hydrogène est ensuite utilisé pour alimenter une pile à combustible – qui produit de l’électricité – pour faire fonctionner le moteur électrique qui propulse le véhicule. L’hydrogène est aujourd’hui l’un des meilleurs vecteurs énergétiques pour les piles à combustible en termes de performances énergétiques et d’émissions. Leur rendement est généralement supérieur à 50 % sur une large plage de fonctionnement, ce qui représente un avantage intéressant par rapport à un moteur essence actuel.

Alimentée par un mélange d’air et d’hydrogène, la cellule convertit l’énergie chimique de l’hydrogène en énergie électrique selon le principe inverse de l’électrolyse. En faisant réagir l’hydrogène avec l’oxygène de l’air sur les électrodes (fines membranes recouvertes d’un catalyseur, le platine), les piles à combustible permettent de produire de l’électricité sans autre émission que du carbone. vapeur d’eau. Le principe remonte à 1839 ! Il est utilisé depuis longtemps pour produire de l’électricité à bord des fusées.

L’hydrogène pour le stockage de l’électricité et son injection dans les réseaux.

Le stockage de l’énergie sous forme d’hydrogène permet de surmonter l’intermittence des énergies renouvelables (éolienne et solaire) en optimisant la capacité de production d’électricité.

Dans le cadre du développement d’un mix énergétique renouvelable, l’électrolyse permet, lorsque le réseau dispose d’un surplus (c’est-à-dire lorsque la production d’électricité est supérieure à sa consommation), de stocker de l’hydrogène sur une période courte ou longue selon les besoins. En cas de déficit du réseau, au contraire, l’hydrogène disponible peut être réutilisé dans une pile à combustible pour produire de l’électricité.

L’hydrogène peut également être injecté directement dans les réseaux de gaz, d’une part pour fournir de l’énergie sans carbone aux unités industrielles concernées, et d’autre part pour contribuer à la décarbonisation des processus industriels en remplaçant les combustibles fossiles actuellement utilisés. C’est le cas, par exemple, dans la production d’acier qui résulte de la réduction du minerai de fer.

Cette réduction, actuellement réalisée au moyen du charbon, pourrait être effectuée demain en utilisant de l’hydrogène décarboné.