Réservoirs sous pression en fibre de carbone avancée : optimiser le stockage d'hydrogène pour un avenir durable

L'hydrogène comme alternative sans CO₂ aux combustibles fossiles est à l'horizon depuis des décennies, et la croissance des réservoirs sous pression en plastique renforcé de fibre de carbone (PRFC) pour le stockage d'hydrogène a définitivement été en hausse. Mais en 2020, l'hydrogène est devenu un mandat, identifié par la Commission européenne (CE) comme une priorité clé pour réaliser le Pacte vert européen pour une économie durable et une UE climatiquement neutre d'ici 2050. Événements clés pour l'hydrogène dans l'aviation :

• Mai 2020 — Clean Sky 2 et The Fuel Cells and Hydrogen Joint Undertaking (FCH JU) ont publié « Hydrogen-powered aviation », détaillant comment les avions à hydrogène à courte portée (85-165 passagers) pourraient atteindre l'entrée en service (EIS) d'ici 2030-2035.
• Juin 2020 — Le programme de relance de 17 milliards de dollars de la France est lié aux objectifs du rapport « Hydrogen-powered aviation » ; Air France dit qu'elle réduira les émissions de CO₂ de moitié pour les vols domestiques d'ici 2024.
• Juillet 2020 — La CE publie « A hydrogen strategy for a climate-neutral Europe », appelant à un investissement de 65 milliards d'euros pour le transport, la distribution, le stockage et les stations de ravitaillement en hydrogène, listant les politiques de soutien et les mécanismes de financement, y compris le Clean Hydrogen Partnership et le Fonds d'innovation ETS (10 milliards d'euros pendant 2020-2030).
• Juillet 2020 — Le PDG d'Airbus Guillaume Faury, dans une interview avec l'éditeur d'Aviation Week Graham Warwick, s'engage pour le premier avion décarboné EIS d'ici 2035 ; il prévoit un lancement de programme d'ici 2027-28 et la maturation des technologies nécessaires d'ici 2025.
• Juillet 2020 — ZeroAvia (Hollister, Californie, États-Unis) effectue un vol d'essai d'un avion monomoteur, six places, Piper modifié pour utiliser de l'hydrogène comprimé (H₂) et dévoile des essais en vol aux États-Unis pour un biréacteur turbopropulseur de 19 places Dornier Do 228 modifié de manière similaire, selon sa feuille de route pour certifier un avion de 20 places propulsé à l'H₂ avec 500 miles de portée d'ici 2023.
• Août 2020 — Universal Hydrogen (Los Angeles, Californie, États-Unis) annonce des modules à double réservoir pour un avion de 50 places (voir photo), plus la logistique de ravitaillement et l'infrastructure pour les compagnies aériennes/opérateurs régionaux pour être commercial d'ici 2024.

La viabilité de l'hydrogène comme source de carburant — quel que soit le secteur — dépend du développement rapide d'une variété de technologies de transport, de livraison et de stockage qui sont jeunes mais en évolution rapide. La commercialisation de ces technologies ne sera pas simple, mais elles sont adressées. Voici un résumé de certains travaux en cours.

Universal Hydrogen

Co-fondée en 2020 par Paul Eremenko, ex-CTO d'Airbus SE (Leiden, Pays-Bas) et United Technologies Corp. (Farmington, Connecticut, États-Unis), l'objectif d'Universal Hydrogen est d'aider la transition vers l'aviation propulsée à l'hydrogène en fournissant une infrastructure de ravitaillement en hydrogène. Un composant clé est son module de carburant comprenant des réservoirs de stockage H₂ jumeaux dans un cadre en polymère renforcé de fibre de carbone (PRFC). « Nous fournirons les modules sur site selon les besoins, donc il n'y a pas besoin d'infrastructure de stockage d'hydrogène », explique le CTO d'Universal Hydrogen, J.P. Clarke. « Les modules sont simplement chargés dans l'avion comme une batterie ou des fournitures de galerie. »

Crédit photo : Universal Hydrogen

Les modules ont été développés en premier pour les avions turbopropulseurs régionaux de 50 places Dash 8 et ATR. Ces modules comporteront des réservoirs de 7 pieds de long sur 3 pieds de diamètre, utilisant soit de la fibre de carbone pour contenir le gaz H₂ à 850 bar atteignant une densité de 50 kg/m³, soit des réservoirs métalliques isolés pour contenir de l'H₂ liquide (LH₂) à pression et température standard atteignant une densité de 71 kg/m³. Bien que les réservoirs LH₂ offrent une efficacité volumétrique plus élevée, les réservoirs isolés mais non refroidis doivent être utilisés dans les 42 heures car le LH₂ se vaporise s'il n'est pas maintenu à -253 °C. « Les deux types de réservoirs siégeront dans un cadre composite léger, structurellement optimisé, qui prête aussi résistance aux chocs et quelques capacités portantes », dit Clarke.

Les réservoirs à gaz H₂ incluront un liner polymère imperméable enveloppé de couches de tresse de fibre de carbone sèche et d'une couche protectrice extérieure en fibre aramide Kevlar. « Il n'y a pas besoin de résine », explique Clarke. « Le liner traite la perméabilité, tandis que la fibre de carbone gère les charges circonférentielles et axiales et la couche extérieure plus le cadre préviennent les dommages ; ainsi le poids et l'épaisseur sont réduits. Cette conception intégrée de réservoir et cadre, combinée avec la cartographie des fonctions à chacune des couches du réservoir, nous a permis d'obtenir des améliorations significatives dans la fraction massique. »

La fraction massique est calculée en divisant la masse de l'hydrogène stocké par celle du module entier, donc plus la fraction massique est grande, mieux c'est. « Nous avons fait une étude de compromis très approfondie en examinant la fraction massique et l'efficacité volumétrique dans le contexte des avions Dash 8 et ATR », note Clarke. « Donc, vous regardez le volume et le poids du carburant versus ce qui peut tenir dans ces avions, portée achievable et poids maximal au décollage, répartition du poids, etc. Avec du gaz H₂ à 850 bar, nous pouvons voler environ 400 miles nautiques avec 45 minutes de réserve et environ 550 miles nautiques avec les réservoirs LH₂. Cependant, la longueur d'étape moyenne pour une mission turbopropulseur est d'environ 300 miles nautiques, donc la vaste majorité de ces vols peut être faite avec un système H₂ gazeux utilisant des réservoirs PRFC. »

Universal Hydrogen s'associera-t-il avec un fabricant de réservoirs composites ? « Notre stratégie est de s'associer là où cela a du sens et de rester sur notre cœur de métier », dit Clarke. Il réitère l'objectif d'Universal Hydrogen : « Nous voulons être le fournisseur du carburant et de l'infrastructure. Nous fournirons les modules, et nous les amènerons où ils sont nécessaires pour que nos partenaires puissent se concentrer sur le reste de la conception et de l'exploitation de l'avion. Notre objectif est d'être un facilitateurs de l'aviation propulsée à l'hydrogène. »

SpaceTech4Sea

Comme l'aviation, le transport maritime est aussi soumis à des réglementations conçues pour réduire les émissions de CO₂ et d'autres gaz à effet de serre (GES). Depuis janvier 2018, les navires de plus de 5 000 tonneaux de jauge brute chargeant ou déchargeant du fret ou des passagers dans les ports de l'Espace économique européen (EEE) doivent surveiller et rapporter leurs émissions de CO₂. Encore plus loin, dans le cadre de sa convention MARPOL pour réduire la pollution des navires, l'Organisation maritime internationale (OMI) a mandaté à partir de janvier 2020 que le soufre dans le fioul doit être réduit de 3,50 % m/m (masse par masse) à 0,50 %. L'OMI s'est également engagée dans une stratégie initiale GES pour poursuivre une réduction de 50 % d'ici 2050 par rapport aux niveaux de 2008.

« La meilleure possibilité pour être en conformité est de passer initialement au gaz naturel liquéfié (GNL) », dit le Dr Panayotis Zacharioudakis, directeur général d'Ocean Finance (Athènes, Grèce), un cabinet de conseil faisant progresser la durabilité maritime et coordinateur des projets CE SuperGreen et SpaceTech4Sea. SuperGreen créera un système de transport durable et vert en Grèce comprenant des navires de transport électriques et deux catamarans hybrides GNL/électriques qui relieront le port du Pirée à d'autres ports dans le réseau méditerranéen oriental. « Pour ce projet, nous construisons un ferry à grande vitesse en PRFC », explique Zacharioudakis. « Si nous utilisions un réservoir GNL en métal à la pointe de la technologie, il pèserait sept tonnes métriques, ce qui équivaut à un peu plus de 70 passagers [100 kilogrammes par personne avec bagages]. Donc, nous devrions diminuer la capacité passager de 70. »

Pourquoi le poids supplémentaire ? « Par rapport au diesel, le GNL doit être stocké à -163 °C cryogénique et les réservoirs métalliques doivent utiliser des matériaux, construction, isolation et systèmes d'exploitation qui répondent aux exigences de l'OMI pour les carburants gazeux, ou code IGF », dit Zacharioudakis. Pour Ocean Finance, le poids supplémentaire n'était pas acceptable, alors elle a commencé à rechercher des solutions possibles et a trouvé un rapport sur les cryo-réservoirs que Cimarron Composites (Huntsville, Alabama, États-Unis) a développés avec la NASA.

« C'est à ce moment que nous avons commencé le projet SpaceTech4Sea de l'EASME (Agence européenne pour les PME) », dit Zacharioudakis. « L'idée est de modifier la technologie aérospatiale pour des applications maritimes. » Le troisième partenaire du projet est la société de classification American Bureau of Shipping (ABS, Houston, Texas, États-Unis), qui validera et qualifiera la technologie. En septembre 2019, ABS a accordé une approbation de principe (AIP) pour la conception conceptuelle d'un réservoir GNL composite cryogénique ultraléger de Cimarron. Depuis, il a construit et testé des réservoirs sous-échelle et à échelle réelle pour la certification. « Ils viennent de finir les derniers tests », dit Zacharioudakis. « Dans un peu plus de deux mois, nous aurons une certification complète pour les réservoirs GNL composites pour le marché maritime. Ce réservoir fournira une économie de poids de plus de 85 % par rapport à un réservoir métallique conventionnel. »

Bien que la plupart des spécificités du réservoir soient propriétaires, le fondateur et président de Cimarron Composites, Tom DeLay, dit qu'il est fait avec de la fibre de carbone et une résine thermodurcissable avancée en utilisant une certaine infusion de résine et un enroulement filamentaire humide. « Nous avons testé des réservoirs de 25 et 40 pouces de diamètre et discutons avec le constructeur de ferry PRFC pour SuperGreen au sujet de réservoirs d'une capacité de cinq mètres cubes [5 000 litres], qui pourraient être atteints avec un réservoir de 2 mètres de diamètre et 2,5 mètres de long. » Ocean Finance voit un marché pour plus de mille tels réservoirs et travaillera avec Cimarron pour établir une production automatisée, possiblement en Grèce.

Et l'hydrogène ? « Même pendant que nous finissons ces projets GNL, nous avons commencé à regarder l'hydrogène », note Zacharioudakis. « Il y a tant d'intérêt, d'activité et maintenant de financement disponible en Europe. Un problème, cependant, est que les réglementations maritimes spécifient que les réservoirs doivent fournir un temps de maintien jusqu'à 15 jours pour le GNL. Ce sera le même pour le LH₂. » DeLay concède que développer un réservoir cryogénique pour le LH₂ (-253 °C, voir ci-dessus) est beaucoup plus difficile que pour le GNL (-196 °C) ; parmi les défis, trouver des matériaux qui résistent à la fragilisation et aux fissures. Il travaille maintenant avec Ocean Finance pour aider à compléter une étude de compromis, examinant les facteurs techniques et économiques de l'utilisation de l'hydrogène liquide versus gazeux pour les navires marins.

Réservoirs Neptune pour gaz H₂

Notablement, Cimarron Composites a déjà développé un réservoir PRFC de type IV pour le stockage à haute pression d'hydrogène et d'autres gaz. « Notre réservoir Jupiter original a été développé pour le transport de la plupart des gaz industriels, y compris l'hydrogène, à une pression de 4 350 psi [300 bar] », dit DeLay. « L'hydrogène, cependant, est transporté plus efficacement à des pressions plus élevées, c'est pourquoi nous avons développé le réservoir Neptune à 7 500 psi [517 bar]. »

Les réservoirs Jupiter et Neptune ont tous deux passé la myriade de tests selon les exigences UN ISO 11515 et sont disponibles dans une gamme de diamètres et de longueurs jusqu'à 26 pieds. « Ces réservoirs ont été développés pour l'expédition en modules standards par camion, rail ou navire », note Delay. « Nous avons trouvé qu'un diamètre de 30 pouces a une efficacité d'emballage idéale, nous permettant de transporter plus d'hydrogène qu'avec des cylindres de plus grand diamètre. Avec une longueur de 19 pieds, nous pouvons insérer neuf réservoirs dans un conteneur standard de 20 pieds. À 67 kilogrammes de gaz hydrogène par réservoir, nous pouvons déplacer 600 kilogrammes dans un conteneur de 20 pieds et 1 200 kilogrammes dans un conteneur standard de 40 pieds. »

« Nous achetons de la fibre de carbone auprès de tous les principaux fournisseurs, y compris Toray [Tokyo, Japon], Mitsubishi Rayon [Tokyo], Teijin [Rockwood, Tennessee, États-Unis] et Hyosung [Séoul, Corée du Sud] », ajoute DeLay, « mais pour Neptune nous avons qualifié avec trois fournisseurs différents simultanément. Nous formulons la résine nous-mêmes en utilisant des produits disponibles dans le commerce et contrôlons très étroitement la teneur en fibres et résine ainsi que la tension pendant l'enroulement filamentaire et le cycle de cuisson au four pour prévenir le stress thermique. Tout cela s'ajoute à la performance mécanique des réservoirs. »

Qu'il s'agisse de stockage cryogénique liquide ou de stockage gazeux à haute pression, DeLay voit les opportunités croître. « Cela nous a pris des années de développer notre expertise », dit-il, « en partant de réservoirs de carburant pour fusées aux grands réservoirs de stockage et de transport que nous développons et produisons maintenant. Il y a un an, j'étais sceptique sur l'hydrogène, pensant que la seule raison était une poussée du gouvernement. Mais maintenant, nous recevons de très grosses commandes et toutes sortes de demandes. Nous voyons qu'à l'échelle mondiale, une large gamme d'industries investit sérieusement dans l'hydrogène et les gouvernements soutiennent ce développement. On dirait que nous sommes prêts avec les bons produits au bon moment. »