COLlapse du LINEr polymère des réservoirs composite pour le stockage d’hydrogène : initiation et effet des cycles en pression – colline

Le programme de travail a été découpé en 5 tâches.
La tâche 1 est dédiée à la coordination et à la communication des résultats du projet. Le projet débute (tâche 2) par un état de l’art des conceptions de réservoirs et des conditions d’observation du phénomène de collapse du liner répertoriées dans la littérature. Les conditions d’exploitation des bouteilles composite pour les applications hydrogène énergie seront par ailleurs listées. Ces documents permettront de définir le cahier des charges du réservoir d’étude et des conditions de sollicitations à étudier puis celui des essais sur échantillons représentatifs de la structure pour les tâches 3 et 4.
La tâche 3 est consacrée à l’étude de l’effet des cycles sur un liner décollé et donc à la compréhension et la connaissance des mécanismes de déformations et d’endommagement du liner. La tâche 4 est consacrée à l’étude de l’initiation du collapse du liner sous l’effet de la pression et du débit de vidange. La tâche 5 s’appuiera sur les résultats des tâches 3 et 4 pour développer des modèles prédictifs d’amorçage et de tenue du liner sous chargement cyclique. Ces modèles permettront d’évaluer l’effet des conditions d’opération (débit de vidange, pression et température), de la géométrie et des matériaux du réservoir et éventuellement de la stratégie d’assemblage-liner composite (en fonction des mécanismes mis en jeu) sur le phénomène de décollement du liner et de tenue à la fatigue du liner décollé. Une étude numérique paramétrique sera ensuite réalisée. Les bornes des paramètres étudiés seront fixées en lien avec le cahier des charges de la tâche 2.

ce projet permettra de donner des recommandations aux industriels sur la conception des bouteilles et leurs conditions d’exploitation afin d’optimiser leur durée de vie. Des recommandations concernant les tests de qualification de futures bouteilles et les critères de retrait en service de réservoir avec un liner décollé seront également proposées.

Pour l'industriel Air Liquide, les retombées techniques sont des connaissances scientifiques permettant de justifier :
- des conditions d’exploitation sûres de ces réservoirs en hydrogène et à 700 bar chez les clients et dans les étapes logistiques
- de la durée de vie des bouteilles en service (durée de vie initiale et en service via des recommandations sur les critères de retrait des bouteilles en service).
- de test de qualification de nouveaux réservoirs vis-à-vis de leur sensibilité au collapse du liner. Ces résultats pourront être repris dans des textes normatifs si pertinents.
Du point de vue économique, le phénomène de collapse est intrinsèque aux réservoirs de type IV. Tous les constructeurs y sont confrontés pour différentes applications et différents gaz. Cela limite la pénétration de certains marchés pour lesquels la technologie type IV permet par ailleurs de répondre aux contraintes de poids et de tenue en cyclage en particulier. La compréhension des limites d’utilisation des réservoirs permettra de déterminer les marchés réellement accessibles. Les recommandations pour la conception de réservoirs optimisés par rapport à ce phénomène permettront de développer de futures générations de réservoirs adaptées à des marchés plus exigeant en terme de performance (nombre de cycle, débits élevés, etc). Pour les marchés de l’hydrogène énergie, on peut citer notamment l’alimentation de fortes puissances électriques nécessitant donc des débits élevés ou les capacités tampons des stations de remplissage de véhicules caractérisées par un nombre de cycles en pression très élevé avec des amplitudes de pression réduites.

Du point de vue scientifique, le projet apportera notamment de nouveaux modèles multi-physiques couplant diffusion, thermique et mécanique et des connaissances sur la mise en place d’essais de fatigue complexe et d’amorçage de décollement sous hydrogène.
Les résultats du projet seront valorisés au travers d’articles, de participation à des congrès et de présentations devant la communauté scientifique. On peut par exemple envisager une présentation des résultats à l’Association Française de Mécanique (AFM) et une participation aux fêtes de la science à l’ENSMA avec des objets exposés et une vidéo rassemblant les faits marquants du projet (voir détails en tâche 1 et budget associé en section 6).
En terme de contribution au contenu des formations de l’enseignement supérieur, ce projet fera l’objet de bureaux d’étude concernant notamment l’approche de couplage multi-physique et un cours optionnel pourrait être crée sur les couplages multi-physique suite au projet dans l’école ENSMA.
Du point de vue du développement des compétences, AL souligne que le banc d’essai développé est unique en France et que cela contribuera significativement au renforcement des compétences sur les essais en hydrogène à haute pression sur des réservoirs de grands volumes.
Du point de vue industriel, le projet contribuera à la fiabilisation et à l’optimisation de la durée de vie des réservoirs composite à liner polymère pour le stockage d’hydrogène sous haute pression. Cela participera au développement général de la filière Hydrogène Energie et à son acceptation sociétale auprès du grand public. Le projet s’inscrit directement dans la stratégie d’Air Liquide de développement de l’hydrogène comme énergie alternative propre et sûre.

La problématique du stockage de l’hydrogène est critique pour l’émergence d’une filière hydrogène énergie. A court terme, afin de répondre aux contraintes d’encombrement, de poids et d’autonomie des marchés de transition et du transport, le stockage d’hydrogène sous forme comprimée à haute pression jusqu’à 700 bar est privilégiée. Afin d’atteindre les objectifs de performance de pression, le stockage d’hydrogène est réalisé dans des réservoirs composés d’une coque en composite à fibre de carbone et d’une enveloppe interne polymère « liner ». Des observations récentes montrent cependant que le liner polymère peut se décoller et se déformer de façon permanente lors de la vidange du réservoir. L’étendue de ce décollement, également appelé « collapse du liner », dépend de la pression dans le réservoir plein, de la pression résiduelle en fin de vidange, de la vitesse de vidange et du gaz utilisé. Le liner déformé plastiquement subit de plus des contraintes mécaniques et thermiques (liés à l’échauffement du gaz au remplissage et au refroidissement du gaz à la vidange) lors de cycles en hydrogène ultérieurs. L’effet de ces cycles en pression ultérieurs sur le liner décollé n’est actuellement pas connu. Du point de vue de la sécurité, un liner décollé pourrait se fissurer sous l’effet des cycles en pression et les propriétés barrière du liner pourraient être localement affectées. La perte d’étanchéité induite pourrait avoir des conséquences dramatiques. La question de la durabilité des réservoirs par rapport aux cycles en pression en gaz constitue aujourd’hui un verrou au développement de la filière du point de vue économique, de la sécurité et de l’acceptation sociétale et réglementaire de la filière. Il apparaît nécessaire d’initier des études permettant d’une part de comprendre l’effet des cycles en pression sur la durée de vie d’un liner décollé et d’autre part d’identifier le mécanisme et les conditions de service en termes de pression et débit de vidange responsables de l’amorçage du collapse du liner. C’est l’objet du programme COLLINE proposé à l’AAP ANR MATETPRO 2013. Ce projet s’appuie sur un consortium composé de l’industriel, Air Liquide, exploitant de stockages d’hydrogène qui apporte son expérience des contraintes d’exploitation et sur les essais en gaz et d’un laboratoire académique Institut Pprime/ISAE-ENSMA reconnu pour ses compétences en mécanique expérimentale, théorique et numérique des problèmes multi-physiques (thermo-mécanique et diffuso-mécanique en particulier) et en durabilité des structures composites.
Au cours du projet, l’effet des cycles en pression sur un liner déjà décollé sera étudié via des essais de fatigue thermo-mécanique sur des éprouvettes représentatives. L’analyse des matériaux ainsi vieillis permettra de proposer un critère d’estimation de durée de vie et/ou d’un abattement de performance consécutif aux chargements cycliques. En parallèle, des essais en hydrogène seront réalisés sur échantillons multi-matériaux assemblés liner-composite représentatifs afin d’identifier le mécanisme à l’origine du décollement du liner. Ces approches seront validées par confrontation avec des essais sur réservoir afin de développer des modèles numériques prédictifs de l’amorçage du collapse et de la tenue en fatigue d’un liner décollé. En conclusion, ce projet permettra de donner des recommandations aux industriels sur la conception des bouteilles et leurs conditions d’exploitation afin d’optimiser leur durée de vie. Des recommandations concernant les tests de qualification de futures bouteilles et les critères de retrait en service de réservoir avec un liner décollé seront également proposées.