STELIA Aerospace Composites innove dans le stockage d'hydrogène

Les lecteurs de CW connaissent STELIA Aerospace (Toulouse, France) via notre couverture de son démonstrateur fuselage composite thermoplastique projet ARCHES TP et ma visite de l'usine Méaulte en 2019. L'entreprise a toutefois une expertise composites profonde, multi-sites, pièces et procédés. STELIA Aerospace Composites (Salaunes, France) est près de Bordeaux. Le site emploie 330 personnes sur 40 000 m² d'ateliers avec laboratoire d'essais intégré. Il comprend trois segments cœur : aérostructures, équipements cabine avion, et systèmes stockage gaz filament-wound. Ce dernier sert pour oxygène, azote, hydrogène, et est un segment cœur depuis plus de 35 ans.

Expérience réservoirs aérospatiaux

Fondée en 1984 dans Aerospatiale, l'usine Salaunes a produit depuis 1985 plus de 70 000 réservoirs haute pression composites surenveloppés (Types II, III, IV) pour diverses applications. Le travail sur stockage hydrogène a démarré en 1998 avec développement réservoir 9 L/700 bar pour le CEA (Paris). STELIA a aussi travaillé avec Groupe PSA (Paris) — maintenant fusionné avec Fiat Chrysler en Stellantis — et Air Liquide (Paris). Aussi avec Faurecia (Nanterre), qui vise le leadership systèmes véhicules pile à combustible.

« STELIA Aerospace Composites est bien connu dans le stockage gaz sous pression », dit Christophe Blois, CTO. « Mais maintenant, avec toutes les annonces avion vert et transition zéro émission soutenue par gouvernements français et UE, de plus en plus d'entreprises nous contactent. »

Expérience réservoirs aérospatiaux

En tant que filiale STELIA Aerospace, l'essentiel de l'expérience fabrication de STELIA Aerospace Composites est en vaisseaux pression aérospatiaux/défense. « Capacité enroulement filament industriel pour réservoirs jusqu'à 5 000 L », dit Blois, « et spécialisés dans design complet réservoirs, adaptés aux besoins techniques clients : dimensionnement, essais/choix matériaux, modélisation éléments finis (MEF), essais qualification (cyclage pression, éclatement) et suivi campagnes certification pour normes/réglementations. »

Il note qu'en moins de 18 mois, STELIA a complété le design pour une application réservoir satellite importante, conforme standards qualification spatiale, coûts production pleinement optimisés. « Qualifié, industrialisé, en plein dans quatre séries de fabrication. »

Avancées réservoirs hydrogène

STELIA a produit réservoirs composites hydrogène de 2,4 à 143 L, pressions 100-700 bar. « Leader design réservoirs, très grand écosystème partenaires », dit Blois.

En novembre 2016, STELIA a annoncé un nouveau réservoir 140 L carbone/époxy pour hydrogène visant à améliorer l'autonomie véhicules électriques pile à combustible (FCEV). Volume similaire aux Toyota Mirai et Honda Clarity 2021. Seule la Clarity utilise un réservoir unique. Les deux autres FCEV en production — Mirai et Hyundai Nexo — utilisent trois réservoirs.

Faurecia a annoncé mai 2017 avoir acquis licence exclusive propriété intellectuelle et savoir-faire procédés réservoirs hydrogène composites de STELIA. Avril 2018, les deux entreprises ont exposé conjointement un prototype réservoir hydrogène pointe à Hyvolution Paris. Faurecia visait leadership technologie pile à combustible, prédisant 5 millions FCEV opérationnels 2035.

Comme expliqué avec co-auteur Mike Favaloro dans papier SAMPE 2021 « Taux de croissance projeté usage fibre carbone véhicules hydrogène », le problème principal réservoirs gaz comprimé est la faible densité volumique hydrogène gazeux. Même à 700 bar, réservoirs CGH₂ doivent être plus grands que réservoirs LH₂. Exemple : 5 kg hydrogène gaz stockés dans réservoir 125 L à 700 bar température ambiante, tandis que 5 kg hydrogène liquide dans 75 L à pression ambiante et -252,87 °C cryogénique (source Air Liquide). C'est pourquoi l'aviation regarde LH₂ pour avions et constructeurs auto cherchent solutions aux problèmes espace/poids réservoirs CGH₂. Aussi, pression plus élevée et grande taille pour autonomie requise augmentent composite fibre carbone nécessaire, donc coût réservoir.

Regardant graphique/tableau, le réservoir 69 L développé par Faurecia atteint une fraction massique supérieure aux trois FCEV 2021 en production. Note : la fraction massique est le rapport masse hydrogène gaz / masse système réservoir, aussi appelé efficacité stockage. Seul système avec efficacité supérieure à Faurecia : prototype réservoir cryo-compressé (CcH₂)/CGH₂ combiné BMW rapporté 2012-2015. Système hybride LH₂/CGH₂ — utilisant froid (ex. -233 °C à -193 °C) mais aussi pression (ex. 350 bar) — BMW affirmait possible d'éliminer évaporation réservoirs LH₂ traditionnels tout en atteignant densités stockage bien supérieures aux systèmes CGH₂ et même LH₂.

Discussion futur développement réservoirs H₂

En tant que CTO STELIA depuis 30 ans, Blois répond sur travail avec Air Liquide et si le géant gaz industriel pourrait être sérieux sur réservoirs composites. « Intéressés par réservoirs composites hydrogène, on a travaillé avec eux. En général, composites vraiment utilisés seulement pour systèmes mobiles vu quantité hydrogène pour autonomie véhicule et poussée réduire poids pour étendre autonomie. Applications stationnaires : peu d'intérêt solution composites. » Blois note que la plupart stockages stationnaires hydrogène opèrent basses pressions. « Réservoirs composites sensés si 700 bar, pas si pressions jusqu'à 200 bar. Pour ça, réservoir métal suffit. »

Grands réservoirs peuvent-ils utiliser pressions > 700 bar ? « Pressions jusqu'à 1 000 bar envisageables », dit Blois. « L'épaisseur parois composites réservoir directement liée à pression service et diamètre réservoir. Actuellement limite épaisseur paroi au-delà de laquelle performance composites diminue. »

Hydrogène liquide vs gaz comprimé pour aviation ? « Vu grande quantité hydrogène nécessaire avion, densité cryogénique plus intéressante que gaz comprimé. Mais dur de maintenir 40-80 K [-233 °C à -193 °C] en réservoirs si longtemps. Toujours nécessaire travailler solutions techniques. »

Opportunité composites thermoplastiques réservoirs hydrogène ? « Pour structure vase futurs réservoirs, mais pas aujourd'hui. Pour réservoirs 700 bar grande échelle aujourd'hui, pas efficace d'utiliser composites thermoplastiques et atteindre performance vase réservoir. Cependant, technologie gaines thermoplastiques (réservoirs type IV) est clé performance réservoir, et futur réservoir全thermoplastique global pourrait augmenter recyclabilité et durabilité. »

Marché réservoirs composites hydrogène prochaines 5-10 ans ? « Premiers 5 ans : travail continue réservoirs gaz hydrogène, encore beaucoup de devoirs. Sachant premiers tests avion avec stockage gaz hydrogène en cours, temps nécessaire pour développer technologie et maturité stockage hydrogène liquide, mais possible en plusieurs années. »

Où STELIA continuera pour faire avancer stockage hydrogène ? « Focus clé : aéronautique et spatial, mais ouverts discussions et on se sent très responsables pour aider transition zéro émission. Capables aussi démarrer production mi-série réservoirs haute pression (700 bar) et continuer évaluer toutes opportunités. »