La flamme d’une dizaine de centimètres est presque invisible dans la lumière crue de la salle hydrogène de l’Institut de mécanique des fluides de Toulouse (IMFT). Elle s’échappe silencieusement d’un trou minuscule (0,75 millimètre de diamètre) simulant une fuite accidentelle dans une conduite ou un réservoir. Puis la lumière est éteinte et Mohamed Hamdaoui, doctorant à l’institut, augmente la pression du flux d’hydrogène, en partant de 1 bar.
La flamme, qui apparaît légèrement bleutée dans l’obscurité, commence à s’agiter et « s’envole » peu à peu au-dessus du dispositif dans un bruit toujours plus assourdissant. Jusqu’à disparaître d’un coup lorsque le seuil des 5 bar est atteint. « Le débit est trop important pour permettre à la calcination de se faire. Mais l’hydrogène continue de s’échapper », explique Thierry Poinsot, directeur de recherche au CNRS et spécialiste de la combustion. Pire, si la pression augmente encore et franchit 20 bar, alors la flamme peut se rallumer. Voilà qui donne un bon aperçu de la complexité des phénomènes étudiés à l’IMFT, dans des locaux classés monuments historiques sur l’île du Grand Ramier.
Des manipulations à petite échelle pour valider les codes de calcul
Installée dans une grande halle de style Eiffel, la salle hydrogène rassemble une dizaine d’instruments de pointe, créés sur mesure, de la chambre de test au système d’acquisition d’images. Elle est tapissée de tuyaux servant à apporter différents gaz dans la chambre de test (de l’hydrogène, bien sûr, mais aussi de l’air ou du méthane pour l’hybrider et obtenir un gaz plus « calme »). Elle comporte un système de sécurité de haut niveau : de multiples capteurs sont installés sur les murs, complétés par des systèmes de ventilation capables d’extraire tout l’air de la pièce en quelques minutes. Le but : empêcher la rencontre explosive de l’hydrogène et de l’oxygène contenu dans l’air. « Rien que pour créer cette salle et la mettre aux normes, cela a nécessité 100 000 euros d’investissement », lâche le chercheur.
« Nous faisons des manipulations relativement petites, sur lesquelles nous réalisons beaucoup de mesures, de la température à la pression, afin de valider les codes de simulation mis au point au Cerfacs », précise Thierry Poinsot. Situé à Toulouse, le Centre européen de recherche et de formation avancée en calcul scientifique, où le chercheur est conseiller scientifique, dispose de ses propres calculateurs, mais utilise également de ceux de Météo-France, localisés sur le même campus, ainsi que du supercalculateur Jean Zay du Genci, installé à Orsay (Essonne).
"Simuler une flamme de 10 mètres de hauteur"
Une fois que les codes ont été validés par l’expérimentation sur de petites installations parfaitement instrumentées, il est possible de faire des extrapolations pour des écoulements à plus grande échelle. « Si l’on prend l’exemple d’une fuite accidentelle, avec nos codes de calcul, on peut simuler une flamme de 10 mètres de hauteur, qui correspondrait à un trou d’environ 1 centimètre », selon Thierry Poinsot. Une fuite qui pourrait apparaître sur un connecteur au niveau d’un pipeline, par exemple. Avec la simulation, il est plus facile de comprendre et d’anticiper les phénomènes liés à ce type de perte, sans avoir à réaliser une expérience risquée avec l’hydrogène.
« L’hydrogène est l’équivalent du tigre par rapport au chat, le chat étant le méthane. »
— Thierry Poinsot, directeur de recherche CNRS
Signe de l’intérêt porté à cette problématique, l’équipe collabore avec de nombreux industriels, de Safran à Airbus, en passant par Saint-Gobain et Total. Elle vient d’obtenir une subvention (advanced grant) du Conseil européen de la recherche – sa cinquième en dix ans – pour mener son projet Safe-H2 qui débutera en janvier 2025. Celui-ci étudiera les flammes d’hydrogène liées à une fuite, leur interaction avec une paroi – dans un compartiment moteur par exemple – et l’explosion. Car la sécurité est un enjeu qui a pris une nouvelle dimension ces dernières années, alors que la petite molécule est considérée comme la solution miracle pour verdir l’industrie lourde et la mobilité.
Apporter des réponses au niveau fondamental
« On veut mettre de l’hydrogène partout. Mais pour les industriels et les pouvoirs publics, la question de la sécurité se pose de façon systématique. Notre objectif est d’apporter des éléments de réponse au niveau fondamental », affirme Thierry Poinsot. Une tâche bien ardue. « L’hydrogène est l’équivalent du tigre par rapport au chat, le chat étant le méthane. » Un rien suffit à l’enflammer : « De l’électricité électrostatique par exemple. Parfois, il s’allume tout seul, à cause de la forte pression (autour de 700 bar) à laquelle il doit être stocké pour pallier sa faible densité. »
Mais le plus inquiétant reste l’absence de flamme et l’accumulation du gaz dans une pièce contenant de l’air, qui peut ensuite exploser. « C’est ce qu’on appelle une bombe », résume Thierry Poinsot. Le chercheur se veut cependant rassurant : « Nous sommes les chercheurs du pire. Mais nous ferons tout ce qu’il faut pour que le pire n’arrive pas. » Autrement dit dompter le tigre.
