« Nous signons des partenariats avec des industriels, menons des recherches collaboratives dans toute l’Europe et proposons des formations dans nos écoles », résume Christian Beauger, coordinateur du groupe H2Mines, en ouverture de la « journée industrielle » organisée ce 29 mars. Créé en 2016, H2Mines rassemble les expertises R&D et les formations de l’institut Carnot M.I.N.E.S. (méthodes innovantes pour l’entreprise et la société) concernant l’hydrogène et regroupe 21 centres de recherche de 8 écoles d’ingénieurs : Mines ParisTech, les 5 écoles des Mines intégrées à l’Institut Mines Télécom, Clermont Auvergne INP et l’Ensta Paris.
Une soixantaine de personnes, chercheurs, industriels et autres experts se sont ainsi réunis dans la bibliothèque de Mines Paris à Fontainebleau (Seine-et-Marne) pour échanger sur les dernières innovations concernant l’hydrogène. L’occasion de donner un aperçu des travaux de H2 Mines, qui couvrent toute la chaîne de valeur du gaz léger, de la production aux usages en passant par le stockage et la distribution.
Côté production, Maria Gonzalez Martinez, chercheuse à l’IMT Mines Albi - Centre Rapsodee a présenté ses recherches portant sur la conversion thermochimique de bioressources (biomasse et biodéchets). « Cette thermoconversion se fait entre 200 et 1200 °C. En fonction des conditions opératoires, on peut orienter cette thermoconversion vers une production de gaz (hydrogène par exemple), de liquide (biocarburants) et/ou de solide (biochar). Selon la demande et les ressources, on fait ce qu’on veut », s’enthousiasme la chercheuse.
Plusieurs projets de front sur la thermoconversion
Avec son équipe, Maria Gonzalez Martinez mène plusieurs projets de front sur la thermoconversion : le projet Biosyn par exemple consiste à coupler le procédé de pyro-gazéification (production de syngaz) à celui de bio-méthanation pour produire de l’hydrogène le plus propre possible grâce à des catalyseurs. La chercheuse travaille aussi sur la production de catalyseurs biosourcés sous forme de biochar : « Les métaux présents dans les bioressources se retrouvent dans le biochar, qui devient un bon catalyseur biosourcé. »
Pedro Affonso Nobrega, chercheur aux Mines Paris - PSL - Centre Persee a poursuivi la séance en présentant ses travaux sur les piles à combustible de type PEM (à membrane échangeuse de protons) pour la mobilité lourde. Ses recherches se concentrent sur 3 boucles : « la boucle hydrogène pour assurer l’arrivée du gaz léger sans le gaspiller, la boucle air pour comprimer l’air, l’humidifier et l’injecter dans la cathode, et la boucle de refroidissement (la pile doit fonctionner à 80°C maximum). » Les travaux du chercheur portent sur l'utilisation de nouveaux matériaux (catalyseurs sans platine, matériaux évitant l’engorgement en eau…), l’hybridation thermique-électrique pour une meilleure intégration dans les véhicules lourds, la modélisation de la dégradation des piles, les effets de la pollution sur leur durée de vie...
Faouzi Hadj Hassen chercheur aux Mines Paris - PSL - Centre de Géosciences, a quant à lui présenté ses travaux sur les aspects thermodynamiques et géomécaniques liés au stockage de l’hydrogène en cavités salines. « Avec le développement des énergies renouvelables intermittentes, une solution de stockage massive opérant en cycles rapides (quotidiens voire horaires) est nécessaire », avance le chercheur. Le sel permet de créer de grands réservoirs par lessivage : injection d’eau douce puis extraction de saumure. « Ces réservoirs ont en moyenne un volume de 500 000 mètres cubes et une profondeur de 1500 mètres. Ils sont inertes, étanches, peuvent stocker de hautes pressions, et subir des injections de hauts débits. »
Le centre travaille notamment sur les problématiques liées au stockage de l’hydrogène en cavités salines : échange et dissolution du gaz avec la saumure résiduelle au fond de la cavité, endommagement du sel (phénomène de dilatance), déformation des cavités avec le temps (fluage). Grâce à des modélisations, les chercheurs arrivent à prédire ces problématiques sur le temps long.
Laboratoire souterrain des essais de fluage du sel
En fin de journée, Faouzi Hadj Hassen a complété sa présentation par une visite guidée du laboratoire souterrain des essais de fluage. C’est dans une pièce en sous-sol, soigneusement isolée et climatisée qu’ont lieu les essais. La température a une influence majeure sur le comportement du sel et doit donc être maintenue rigoureusement constante. Dans des cellules métalliques, des éprouvettes contiennent différents types de sels. Un groupe hydraulique pour modifier les pressions axiale et latérale, un collier chauffant pour modifier la température des éprouvettes. Le fluage du sel est étudié sous différents paliers de pression et de température. Ces essais durent au minimum 3 mois pour prédire au mieux le fluage à long terme. Des logiciels développés par le centre permettent de reproduire le comportement du stockage, depuis la création de la cavité jusqu'à son abandon.
Dernière étape de la journée : le centre thermodynamique des procédés (CTP). Un des laboratoires du CTP est dédié à l’étude des propriétés physiques fondamentales du dihydrogène et à la cinétique de conversion entre les deux isomères de spin de l’hydrogène, l’ortho-hydrogène et le para-hydrogène, constitués respectivement de molécules de dihydrogène dont les deux spin nucleaires sont parallèles et, respectivement, antiparallèles. Comprendre ce phénomène est important pour liquéfier de manière optimisée l'hydrogène. Dans le laboratoire commun Géosciences/CTP, une installation de stockage de 13L reproduit le comportement thermodynamique de fluides pendant le cyclage : utile par exemple pour quantifier les variations spatiales de la température et de l'humidité ou l’échange de masse entre le gaz stocké et la saumure. Autant de connaissances nécessaires à l’essor de l’hydrogène.
