Stockage de l’hydrogène pour l’industrie automobile

Stockage de l’hydrogène pour l’industrie automobile

Le vecteur d’énergie hydrogène est en passe de devenir un des principaux vecteurs d’énergie pour les décennies à venir, que ce soit pour alimenter les véhicules ou pour des lieux isolés (en remplacement des groupes électrogènes). Ce vecteur offre l’avantage, tout comme les batteries électriques, de ne rejeter aucun polluant lors de son utilisation. Cependant, une des grandes questions des usagers concerne l’autonomie du véhicule. Par exemple, un véhicule de type citadine d’une autonomie de 500 km a besoin d’embarquer 4 kg d’hydrogène. Cela correspond à 50 m3 d’hydrogène sous pression atmosphérique à une température de 20 ◦C.
Trois moyens principaux de stockage de l’hydrogène existent :
Le stockage à l’état liquide. Pour 4 kg d’hydrogène, le volume à l’état liquide est d’environ 56 litres. L’inconvénient de cette méthode est la nécessité de maintenir l’hydrogène à une température de −252,8◦C.
Le stockage à l’état solide. Il est possible de stocker l’hydrogène sous forme d’hydrure. Un disque de magnésium de 30 cm de diamètre pour une épaisseur de 1,5 cm permet de stocker l’équivalent de 600 litres d’hydrogène.
Le stockage à l’état gazeux. Avec la loi des gaz parfaits, il apparait qu’augmenter la pression d’un gaz pour une quantité de matière donnée fait diminuer son volume. Actuellement un grand nombre de réservoirs d’hydrogène a une pression de service de 35 MPa soit 350 bar.
La société Air Liquide mène un projet pour l’utilisation de réservoirs ayant une pression de service de 700 bar. Dans ces conditions, 100 L sont nécessaire au stockage de 4 kg d’hydrogène.

Programme TOLEDO (TOLérance aux Dommages)

Une fois vides, les réservoirs sont enlevés de leur site d’utilisation et acheminés sur un site de remplissage. Pour faciliter leur transport, ils sont rassemblés dans des casiers. Le risque d’impact de ces réservoirs est important dans les phases de transport et de manutention. L’entreprise Air Liquide dispose d’un grand retour d’expérience sur les réservoirs métalliques. Ce retour d’expérience a permis de constater que les impacts les plus critiques sont ceux engendrés par les fourches des engins de manutention. Ces types d’impacts nous serviront de référence.
L’objectif industriel est double et complexe : il s’agit d’assurer la sécurité des utilisateurs de réservoirs tout en minimisant les pertes pour l’entreprise :
Le premier objectif est de retirer un réservoir du service lorsque son utilisation est potentiellement dangereuse. Cela permet de minimiser les risques en protégeant les utilisateurs et leur entourage.
Le second est de conserver un réservoir présentant un endommagement, si l’utilisation n’est pas jugée dangereuse. Cela permet de maximiser la durée de vie du produit.
Du point de vue scientifique, l’objectif est d’étudier la tolérance aux dommages par impacts de structures bobinées épaisses.
Les structures à étudier présentent plusieurs particularités :
une disposition des fibres différente de celle des stratifiés (plus couramment étudiés) due au mode d’élaboration par enroulement filamentaire, une courbure importante qui est une particularité rarement étudiée pour les composites, une épaisseur importante, qui est également peu étudiée. une précharge due à la pression interne. Le réservoir est potentiellement sous pression pendant l’impact.

Dispositifs d’impact

Un dispositif d’impact doit pouvoir assurer la génération d’un impact à un endroit défini préalablement, avec une énergie (masse, vitesse) d’impact donnée. Les dispositifs sont composés d’une partie mobile guidée par un support rigide et fixe.
La partie mobile est généralement composée d’une masse, d’un impacteur et d’un capteur de force. Ce capteur est placé entre la masse et l’impacteur et permet de mesurer la force de contact entre l’impacteur et la cible pendant l’impact.
Deux types de dispositifs sont majoritairement utilisés :
Les systèmes tour de chute, qui consistent à laisser tomber en chute libre la partie mobile d’une hauteur fixée. La masse est guidée verticalement et un système antirebond est utilisé afin de prévenir une répétition d’impacts. La vitesse d’impact est directement liée à la hauteur de chute. Ces systèmes sont simples d’utilisation.
Les systèmes pendulaires, où la partie mobile est guidée en rotation. Ces systèmes sont inspirés de la machine de test de résilience, le mouton Charpy . Ils consistent à lâcher un pendule qui décrit un mouvement circulaire jusqu’à l’impact sur l’échantillon.

Matériaux composites à fibres longues

Matériaux composites

Le dictionnaire Larousse définit un matériau composite comme un matériau formé de plusieurs composants élémentaires dont l’association confère à l’ensemble des propriétés qu’aucun des composants pris séparément ne possède.
Les matériaux composites utilisés pour leurs performances élevées sont généralement des composites à fibres longues.
Les fibres, qui sont de faible diamètre (≈ 10 µm) et de grande longueur, ont généralement un module élastique élevé dans leur direction longitudinale . Elles permettent un renfort du matériau composite dans cette direction. Il est alors possible de créer un matériau ayant de fortes tenues mécaniques dans des directions choisies.
La matrice, il s’agit d’un matériau isotrope qui permet la cohésion du produit final ainsi que la répartition des efforts mécaniques. Le module élastique de la matrice est relativement faible, mais elle possède un allongement à rupture supérieur à celui des fibres.

Les fibres

Une fibre issue d’un matériau homogène possède généralement des propriétés mécaniques supérieures à celles du matériau sous sa forme massive. Sous la forme de filament, les propriétés d’un matériau se rapprochent de ses valeurs théoriques.
Si nous prenons l’exemple des fibres de verre, leur résistance peut être des centaines de fois supérieure à celle du verre sous forme massive . Les fibres sont obtenues généralement par étirage. L’étirage provoque une redistribution de la matière et augmente l’aire du cylindre ce qui contribue à l’élimination des défauts de surface. L’étirage permet également pour des matériaux constitués de chaines carbonées (un polymère par exemple) de les aligner dans la direction longitudinale de la fibre.

Spécificités des réservoirs composites et leur influence sur le comportement à l’impact

La précharge

La précharge est un chargement appliqué avant et maintenu pendant l’impact. Les réservoirs en service sont généralement préchargés, d’où l’intérêt de ce type d’investigation. Pour des tests à l’échelle des échantillons, les précharges appliquées sont soit uniaxiales , soit biaxiales. Pour pouvoir comparer l’état de précharge entre différents matériaux, celle-ci est généralement exprimée en pourcentage de la déformation à rupture.
Peu de travaux portent sur l’influence de la précharge sur le comportement à l’impact de matériaux composites. Pour les études répertoriées  à l’exception de Mitrevski et al. , les impacteurs sont de forme hémisphérique de diamètre 12 mm et les énergies d’impact varient de 4 J à 20,5 J. Les valeurs des précharges appliquées, variant d’un auteur à l’autre, sont comprises entre 2 % et 20 % de la déformation à rupture.

La courbure

Importance des conditions aux limites Pour des essais d’impact sur structures courbes, les conditions aux limites jouent un rôle important. Dans sa thèse, L. Ballère a testé 4 conditions aux limites différentes pour des impacts sur structures composites courbes  :
échantillon de tube en appui simple sur un massif rigide (a) ;échantillon de tube avec les bords droits bloqués en translation sur un massif rigide (b);
échantillon de tube supporté par un tube acier (évidé de la taille de l’échantillon) de rigidité équivalente à celle du tube composite (c); tube composite en appui dans un “V” métallique (d). Les courbes d’évolution de la force de contact pendant l’impact en fonction du déplacement montrent l’effet structure généré par la courbure de l’échantillon et l’influence des conditions aux limites. En effet dans le cadre de l’appui simple, la courbure de l’échantillon diminue pendant l’impact ce qui diminue la rigidité. Dans le cas où les bords sont bloqués en translation, la rigidité de la structure est plus grande que pour le tube complet, car la courbure ne diminue pas pendant l’impact. L’éprouvette fixée sur un tube de rigidité équivalente est la solution la plus proche d’un impact sur un tube composite. Cette dernière solution est couteuse et tous les autres travaux de la littérature sont basés sur des éprouvettes avec les bords encastrés.

Table des matières

Présentation du projet 
1 Stockage de l’hydrogène pour l’industrie automobile
2 Les réservoirs
3 Programme TOLEDO (TOLÉrance aux DOmmages)
1 Endommagement par impact des matériaux composites : influence des particularités des réservoirs bobinés 
1.1 Quelques éléments sur les matériaux et structures composites 
1.1.1 Matériaux composites à fibres longues
1.1.1.1 Matériaux composites
1.1.1.2 Les fibres
1.1.1.3 Les matrices
1.1.2 Techniques de fabrication et mise en œuvre
1.1.2.1 Drapage de préimprégnés
1.1.2.2 Réalisation de réservoirs composites de type 4
1.2 Dispositifs d’impact 
1.2.1 Impacteurs
1.2.2 Investigations pendant une campagne d’essais d’impact
1.3 Endommagement, moyens d’observation 
1.3.1 Endommagements et défauts dans les matériaux composites
1.3.2 Moyens d’observation et de quantification des endommagements
1.3.2.1 Contrôle non destructif
1.3.2.2 Contrôle destructif
1.4 Spécificités des réservoirs composites et leur influence sur le comportement à l’impact
1.4.1 La précharge
1.4.2 L’épaisseur
1.4.3 La courbure
2 Démarche, apports expérimentaux et numériques 
2.1 Démarche 
2.2 Conception et mise au point d’un dispositif de précharge de plaques composites
2.2.1 Vocation du montage et cahier des charges
2.2.2 Les différentes solutions de la littérature
2.2.2.1 Système avec vérins hydrauliques
2.2.2.2 Système à air comprimé
2.2.3 Le dispositif développé
2.2.4 Conclusion
2.3 Conception et mise au point d’un dispositif de précharge de tubes composites 
2.3.1 Vocation du montage et cahier des charges
2.3.2 Les différents systèmes de chargement rencontrés
2.3.2.1 Les dispositifs de traction
2.3.2.2 Système de mise en pression de tubes et anneaux
2.3.2.3 Conclusion sur les différents systèmes de chargement
2.3.3 Le dispositif réalisé
2.3.4 Solutions technologiques et dimensionnements
2.3.4.1 La vessie
2.3.4.2 Les vis
2.3.4.3 Éprouvettes
2.3.4.4 Les flasques
2.3.4.5 Les mors
2.3.5 Dispositif final et mise en œuvre d’un essai
2.3.6 Système de mise en pression
2.3.7 Sécurité
2.3.8 Évolution future du dispositif
2.3.9 Vérification des conditions aux limites et de l’état de contraintes par calculs éléments finis
2.3.9.1 Modèle géométrique
2.3.9.2 Matériaux
2.3.9.3 Liaisons et conditions aux limites
2.3.9.4 Résultats
2.4 Mise en œuvre d’un modèle numérique d’endommagement stochastique 
2.4.1 Choix d’un critère d’endommagement : critère de Hashin
2.4.2 Loi d’évolution de l’endommagement
2.4.3 Loi de distribution des propriétés à rupture
2.4.4 Implémentation des paramètres à rupture
2.4.5 UMAT développée
3 Impacts sur plaques et tubes composites 
3.1 Moyens et méthodes
3.1.1 Dispositifs expérimentaux et métrologie associée
3.1.1.1 Dispositif d’impact : Tour de chute
3.1.1.2 Instrumentations et mesures
3.1.2 Expertise de l’endommagement
3.1.3 Plan d’expériences
3.1.3.1 Plans d’expériences optimisés
3.1.3.2 Plan de Doehlert
3.2 Impact sur plaques préchargées 
3.2.1 Matériau de l’étude et échantillons
3.2.2 Essais préliminaires
3.2.3 Matrice d’essais
3.2.4 Résultats pour les plaques d’épaisseur de 5 mm (plan d’expériences 2)
3.2.4.1 Courbes force vs déplacement, force vs temps et rotation vs temps
3.2.4.2 Force de contact
3.2.4.3 Déflexion de l’échantillon
3.2.4.4 Taux d’énergie dissipée pendant l’impact (TED)
3.2.4.5 Rupture de fibres
3.2.4.6 Aire endommagée projetée (AEP)
3.2.4.7 Aire endommagée cumulée (AEC)
3.2.4.8 Essai sans précharge
3.2.4.9 Discussion
3.2.5 Résultats avec prise en compte de l’épaisseur (plan d’expériences 1)
3.2.5.1 Force de contact maximale
3.2.5.2 Déplacement maximal de l’impacteur
3.2.5.3 Conclusion sur le plan d’expériences 1
3.2.6 Conclusion sur les essais sur plaques préchargées
3.3 Essais de mise en pression et d’impact sur tubes
3.3.1 Matériau et échantillons
3.3.2 Validation du dispositif de mise en pression des tubes
3.3.2.1 Résistance et validation – Test sur architecture 1
3.3.2.2 Vérification de l’homogénéité du préchargement des tubes
3.3.3 Essai préliminaire – P=0 bar
3.3.4 Essais d’impact sur tubes sous pression
3.3.4.1 Plan d’expériences
3.3.4.2 Relaxation / répétabilité
3.3.4.3 Les premiers essais – Architecture 2
3.3.5 Discussion / conclusion
3.3.5.1 Effet de la pression
3.3.5.2 Comparaison du point d’expériences 1 pour les architectures 2 et 3
3.4 Conclusion 
4 Des échantillons au réservoir – Tenue résiduelle 
4.1 Bilan des essais réalisés sur échantillons 
4.1.1 Plaques
4.1.1.1 Influence de l’énergie d’impact
4.1.1.2 Influence de la précharge
4.1.2 Tubes
4.1.2.1 Influence de l’énergie d’impact
4.1.2.2 Influence de la précharge
4.1.3 Bilan de l’influence de l’énergie et de la précharge sur les endommagements
4.2 Endommagements au sein des réservoirs, influence de l’énergie 
4.2.1 Observation et chronologie des endommagements
4.2.2 Endommagement externe et interne
4.2.3 Réponse macroscopique à l’impact
4.2.4 Essais d’impact sans fibre de verre
4.3 Comparaison tenue résiduelle expérimentale et numérique 
4.3.1 Tenue résiduelle des réservoirs
4.3.2 Présentation du modèle par éléments finis
4.3.2.1 Géométrie
4.3.2.2 Maillage
4.3.2.3 Matériaux
4.3.2.4 Conditions aux limites et chargement
4.3.2.5 Zone endommageable du réservoir
4.3.2.6 Relations macro/modèle
4.3.3 Résultats sur réservoir sain
4.3.3.1 Création et évolution des endommagements
4.3.3.2 Comparaison avec l’expérience
4.3.3.3 Comparaison avec les résultats numériques de Pham
4.3.3.4 Influence de la variabilité
4.3.3.5 Bilan
4.3.4 Réservoirs préendommagés
4.3.4.1 Implémentation de l’endommagement
4.3.4.2 Influence de l’endommagement
4.3.5 Conclusions
4.4 Conclusion et transposition des résultats issus des échantillons aux réservoirs hyperbares
5 Conclusions et perspectives 
5.1 Conclusions
5.2 Perspectives
Bibliographie

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