Au détour d’un couloir, une grande pièce remplie de cartons se dévoile. À l’intérieur, des tuyaux, des joints, des valves et des compresseurs… Ce sont des centaines de pièces couvrant toute la chaîne de production et d’utilisation de l’hydrogène, envoyées par des industriels. Elles attendent les chercheurs et techniciens du Cetim, à Nantes. Ils prélèveront des échantillons des matériaux les constituant pour étudier leur interaction avec le gaz léger sous toutes les coutures. Pour ces travaux, trois pôles sont en première ligne : Matériaux métalliques et surfaces, Fatigue-optimisation-durabilité et Technologies d’étanchéité. Ils peuvent s’appuyer sur des moyens d’essais acquis lors du projet HyMeet, en 2022. Celui-ci, d’une durée de quatre ans, bénéficie d’un budget de 25 millions d’euros pour accompagner les industriels de la mécanique dans l’essor de l’hydrogène.
Le principal problème posé à la mécanique par l’hydrogène tient à... sa taille. Le plus petit des atomes est si minuscule qu’il se faufile partout, y compris au sein de la matière. Dans les métaux, « il peut plus facilement se diffuser dans la structure cristalline que n’importe quel autre atome », souligne Fabien Lefebvre, ingénieur au Cetim. Une fois qu’il s’est glissé entre les atomes d’un métal, il peut interagir avec eux et le fragiliser. « On constate que l’hydrogène réduit la capacité des métaux à se déformer », précise-t-il. Dans les composites, il peut migrer dans les interfaces entre les différents constituants du matériau et « compromettre l’adhérence entre eux, entraînant une dégradation des propriétés mécaniques du composite », indique l’ingénieur. Étudier comment l’hydrogène diffuse et s’accumule dans les matériaux utilisés par les industriels, mesurer les conséquences sur les propriétés mécaniques et identifier les matériaux les plus immunes au petit atome, voilà la mission du Cetim.
Perméation et énergie de piégeage
Le travail commence au sein du pôle Matériaux métalliques et surfaces. Il utilise la perméation électrochimique pour mesurer en continu le flux d’hydrogène traversant un échantillon. Sous une étagère alignant une batterie d’accumulateurs électriques, une petite plaque (appelée éprouvette) d’acier inoxydable de type 316L est placée entre deux cellules en verre remplies de solutions aqueuses et munies d’électrodes. Chaque face de la plaque est en contact avec la solution d’une cellule.
Hervé Boutet Dispositif de mesure du flux d’hydrogène traversant une plaque métallique.
Dans celle de gauche, un courant électrique « transforme les atomes de l’hydrogène de l’eau en ions H+ qui cherchent alors les électrons qui leur manquent dans le métal », schématise Daniella Guedes, la coordinatrice hydrogène. L’hydrogène entre dans l’éprouvette et s’y diffuse. Dans la deuxième cellule de détection, un courant est appliqué pour dissocier l’hydrogène qui a diffusé jusqu’à traverser l’éprouvette. L’expérience établit des courbes de perméation montrant les régimes stationnaires ainsi que le moment où le matériau est saturé en hydrogène et son temps de traversée. De quoi établir de précieuses comparaisons entre matériaux, car « plus l’hydrogène se diffuse lentement, et plus le matériau est résistant », pointe-t-elle.
Un matériau ne pourra supporter que 800 000 cycles sous hydrogène, contre 1,5 million sous air.
— Pierre Osmond, ingénieur d’étude fatigue et durabilité des matériaux et structures au Cetim
Une fois entré dans un métal, l’hydrogène peut aussi s’y retrouver piégé. Un phénomène étudié par spectrométrie de désorption thermique. Ici, des composants métalliques, soupçonnés par des industriels d’avoir été fragilisés après exposition à l’hydrogène, sont découpés finement. Introduit dans une enceinte sous vide, l’échantillon est chauffé à différentes vitesses jusqu’à 2 000 °C pour lui faire dégazer son hydrogène. La concentration en hydrogène gazeux de l’enceinte est mesurée par catharométrie gazeuse. Cette technique repose sur la variation en température de la résistivité d’un filament chauffé électriquement suivant le gaz qui l’entoure. Ce test dynamique détermine l’énergie de piégeage des métaux en présence d’hydrogène, identifiant si, à l’échelle de la microstructure, celui-ci est piégé de manière réversible, irréversible ou s’il est diffusible.
Toute cette compréhension de la diffusion et du piégeage de l’hydrogène est mise en relation avec la dégradation des performances des matériaux exposés au gaz léger, et notamment leur endurance. Ainsi, au pôle Fatigue-optimisation-durabilité, les matériaux sont « caractérisés pour évaluer leurs propriétés intrinsèques, leur capacité de rupture et leur limite d’élasticité en conditions de fatigue », expose le chercheur Pierre Osmond.
Différents autoclaves sont utilisés pour des essais à diverses pressions. Le premier effectue des tests jusqu’à 30 bars à température ambiante, couvrant la flexion et la traction lente pour observer la propagation de fissures. Par exemple dans un essai de flexion, un échantillon métallique ou polymère est placé dans l’autoclave. De l’hydrogène y est injecté à des pressions spécifiques. Un vérin déforme l’échantillon à plusieurs reprises (cycles) jusqu’à provoquer une fissure. La déformation et l’ouverture de la fissure sont mesurées avec un extensomètre, fournissant une durée de vie moyenne par cycles. « Un matériau ne pourra par exemple supporter que 800 000 cycles sous hydrogène, contre 1,5 million sous air », précise le chercheur. Un autre autoclave, de 4 mètres de hauteur, permet des essais en traction, compression et flexion, sous une pression de 400 bars maximum et à 200 °C. C’est crucial pour des applications telles que la réutilisation des pipelines existants pour le transport d’hydrogène et la fabrication des réservoirs de stockage. Pour ces derniers, il faut valider les choix de matériaux et le dimensionnement d’équipements soumis à des pressions entre 80 et 200 bars.
Prévenir les fuites
Le Cetim se penche enfin sur l’étanchéité des équipements en utilisant un « banc de perméabilité ». Installé fin 2023 au pôle Fluid and sealing technologies (FST), ce dispositif caractérise l’étanchéité des joints afin de prévenir les fuites. Il se concentre spécifiquement sur « les fuites par perméation, évaluant la quantité de gaz traversant le système d’étanchéité à des pressions variant de 200 à 1 000 bars et à des températures atteignant 300 °C », détaille Didier Fribourg, directeur scientifique et technique au Cetim. Les essais fournissent des coefficients de perméabilité pour modéliser la durée de vie des matériaux et prédire la vitesse de passage de l’hydrogène. Des comparaisons avec d’autres gaz tels que le méthane ou l’hélium aident à définir des protocoles de caractérisation et de validation des systèmes d’étanchéité adaptés aux applications liées à l’hydrogène.
Hervé Boutet Banc de perméabilité et d’étanchéité pour la caractérisation des joints et des membranes.
Pour le Cetim, ce n’est qu’un début. Fin 2024 doit s’ouvrir un centre d’ingénierie et d’essais dédié à l’hydrogène au sein du port de Nantes Saint-Nazaire. Représentant un investissement de 11 millions d’euros dans le cadre du projet HyMeet, ce centre donnera une nouvelle ampleur aux travaux du Cetim avec notamment des équipements pour les piles à combustible et la cryogénie pour l’hydrogène liquide.
« Avec l’hydrogène liquide, l’isolation est cruciale. »
Pierre Crespi, directeur de l’innovation d’Air Liquide Advanced Technologies
Quelles problématiques soulève l’utilisation de l’hydrogène liquide, envisagée pour l’aviation ?
L’hydrogène liquide requiert des températures extrêmement basses, inférieures à - 253 °C. Embarquer la cryogénie à bord des avions devient impératif. L’isolation est cruciale, car n’importe quelle entrée de chaleur pourrait provoquer l’ébullition d’un liquide à la fois léger et volatil, entraînant une montée en pression. Le deuxième défi réside dans la recherche de légèreté, l’aluminium émergeant comme le matériau privilégié, capable de supporter simultanément la pression, le froid et les vibrations. Cependant, la soudure de viroles en aluminium, sans fuite, est complexe. Puis, avec la cryogénie, la gestion du contenu est aussi cruciale que celle du contenant, notamment en aéronautique où la dynamique du fluide doit être maîtrisée pendant toutes les phases opérationnelles.
Quels développements avez-vous réalisés ?
Grâce à notre expertise acquise dans le secteur spatial, notamment pour les fusées Ariane, nous avons réussi à concevoir, en 2020, un réservoir de 6 bars d’une capacité de 250 litres. Il est fabriqué en aluminium avec une isolation de haut niveau. Il est composé de deux réservoirs emboîtés l’un dans l’autre. L’intervalle annulaire entre les deux est maintenu sous vide, créant ainsi une isolation performante. L’objectif ultime est d’assurer une étanchéité parfaite, non seulement pour prévenir les fuites d’hydrogène, mais également pour éviter toute intrusion d’air extérieur, plus chaud, au contact de l’hydrogène.
Quelles sont les prochaines étapes identifiées ?
Le premier objectif est d’optimiser les réservoirs. Ils seront utilisés sur des avions régionaux, destinés à parcourir entre 1 000 et 2 000 kilomètres, avec pour mission un stockage de l’ordre d’une tonne d’hydrogène liquide. Nous travaillons aussi sur des électrovannes répondant aux normes aéronautiques et capables de résister aux vibrations en vol.
