Réservoir cryogénique à hydrogène : une conception d’avenir pour l’aéronautique
Sachant que 2% des émissions de CO2 mondiales proviennent de l’aviation, que les émissions de CO2 des avions ont augmenté de 10% entre 2014 et 2017, il est temps de réagir et de passer au vert. La transition énergétique mondiale c’est pour maintenant. D’ici 2050, les avions devront réduire de moitié leurs émissions de CO2. La solution ? L’hydrogène, déjà envisagé pour les bateaux ou encore les camions, il se présente comme une solution alternative pour la production et le stockage d’énergie. Mais alors comment stocker l’hydrogène dans un avion ? C’est ce que nous allons voir.
Des avions verts en 2050
L’hydrogène : la solution d’avenir pour nos avions
Voler « vert » en respectant l’environnement, c’est l’ambition des avionneurs d’ici 2050. Cela sera possible grâce à des avions électriques et non plus à propulsion. Cependant, il est impensable de monter des batteries sur un avion du fait de leur poids. En effet, ajouter des batteries à un avion le rendrait 20 fois plus lourd. La solution : créer de l’électricité sur place. Mais comment faire pour créer de l’électricité dans les airs ?
Le choix s’est porté sur l’hydrogène sous sa forme liquide à -252,85°C, permettant un stockage moins dangereux et en plus grande quantité que dans sa forme gazeuse. Aujourd’hui nous assistons à une utilisation croissante de l’hydrogène pour la production d’électricité ou comme carburant direct. L’avantage étant que l’hydrogène est léger ce qui permet de réduire le poids de l’avion et donc sa consommation d’énergie en vol.
Dans l’aéronautique, l’hydrogène sera donc considéré comme une source d’énergie intermédiaire permettant de produire de l’électricité. Ce processus s’inscrira dans un cercle vertueux puisque l’hydrogène sera produit à partir d’électricité « verte » elle-même produite à partir de panneaux solaires et de l’éolien.
Ainsi, 3 types d’avions ont été retenus par Airbus dans le cadre du développement d’avions « verts » :
Premier concept : le Turbofan. © Airbus
Un turboréacteur de 120 à 200 passagers ce qui équivaut à un A220 ou un A320 avec une autonomie de plus de 3500 kilomètres.
Un avion régional turbopropulseur de 100 passagers avec une autonomie de 1800 kilomètres.
Une aile volante avec une capacité d’accueil et une autonomie similaire à celle du turboréacteur.
Comment stocker l’hydrogène dans un avion ?
Techniquement parlant, l’hydrogène est difficile à stocker. C’est un gaz qui possède une très faible masse volumique à température et pression ambiantes : il faut un volume de 11 m3 pour contenir 1 kilo de dihydrogène.
Il est inenvisageable de le stocker à température et à pression ambiantes car il prendrait trop de place. Deux options sont donc possibles, soit le stocker sous pression à l’état gazeux soit le refroidir à -252,85°C, sa température de liquéfaction.
La meilleure option : le liquéfier à une température inférieure -253°C. Dans ce cas le réservoir cryogénique est soumis à une pression plus faible, car un liquide est moins compressible qu’un gaz. A l’heure actuelle, cette solution de stockage à température cryogénique est utilisée dans le domaine spatial, pour les réservoirs d’hydrogène, le carburant des fusées, et est fortement envisagée dans le monde de l’aéronautique. Cette solution est préférée au réservoir sous pression pour des raisons d’encombrement et de sécurité. En effet, la masse volumique du H2 liquide est bien supérieure à celle du gaz sous pression, ce qui permet de stocker la même quantité d’hydrogène dans un volume réduit. De plus, cela évité la mise en œuvre de grandes pressions (700 bar) et les risques inhérents à cette solution.
Petit rappel sur la cryogénie
La cryogénie est l’étude des basses températures inférieures à -150°C. En somme, c’est la température à laquelle les gaz se liquéfient.
Température de liquéfaction à pression atmosphérique :
Aujourd’hui nous savons comment atteindre ces températures. La problématique : le stockage de ces gaz liquéfiés à ces très basses températures.
Réservoir cryogénique à hydrogène en aluminium. Source : Stirweld
Storage density of H2
Quel matériau pour un réservoir à hydrogène performant ?
L’acier, le composite ou l’aluminium ?
En premier lieu, le matériau choisi pour un réservoir cryogénique doit absolument respecter ces critères :
De ce fait, plusieurs matériaux sont envisagés pour le réservoir cryogénique à hydrogène. Il y a l’acier, trop lourd et donc peu recommandé, les alliages de titane, bien trop coûteux, le composite à base de fibre de carbone, non recyclable et très coûteux mais très léger et enfin l’aluminium léger, résistant et moins coûteux que le composite. Vous l’aurez donc compris la bataille fait rage entre le composite et l’aluminium.
Or, le composite pose deux problèmes : sa dilatation thermique différentielle qui entraîne de fortes variations dimensionnelles, l’apparition de microfissures et donc une perméabilité du matériau. Quant à l’aluminium, ses propriétés mécaniques restent constantes voire s’améliorent à basse température. Vous l’aurez donc compris, l’aluminium se présente comme étant le matériau le plus adéquat pour la fabrication de réservoirs cryogéniques.
En effet, du fait de sa faible densité et de ses bonnes propriétés mécaniques spécifiques, l’aluminium garantirait un réservoir à vide plus léger qu’en acier cryogénique (du type d’acier allié au nickel). Autre point positif, l’aluminium est recyclable à l’infini ce qui s’inscrit parfaitement dans les démarches actuelles de diminution de l’empreinte écologique. De plus, l’aluminium a une meilleure résistance aux basses températures que l’acier. A très basse température, l’acier devient fragile comme du verre ce qui rend ce matériau inutilisable pour des applications à très faibles températures. A contrario, l’aluminium est l’un des seuls matériaux dont les propriétés mécaniques ne se dégradent pas à faibles températures. Elles tendent même à s’améliorer. Cela suffit à expliquer le très fort intérêt de l’aluminium pour les applications cryogéniques comme le stockage de l’hydrogène liquide.
Tableau comparatif : l’acier soudé à l’arc vs. l’aluminium soudé à l’arc vs. l’aluminium soudé par FSW
Soudabilité de l’aluminium
Un problème se pose : la soudabilité de l’aluminium. Outre sa faible densité et sa bonne résistance à la corrosion, l’aluminium présente une conductibilité thermique et électrique élevée. Ces caractéristiques propres à l’aluminium complexifient l’opération de soudage par les procédés conventionnels par fusion. Ainsi, en raison de sa forte conductibilité thermique, il faut des énergies de soudage élevées. Il faut aussi prendre en compte que l’aluminium a une forte tendance aux déformations en soudage et que des défauts peuvent apparaître suite à l’opération de soudage (soufflures, porosités, fissuration à chaud, affaiblissement des propriétés mécaniques, dégradation du matériau). Par ailleurs, avant soudage, l’aluminium doit subir un décapage chimique de la couche d’alumine réfractaire.
Ainsi avec des techniques de soudage conventionnelles – TIG, MIG, MAG, à l’arc électrique – l’aluminium reste un matériau difficile à souder. Cependant, ces dernières années nous avons vu apparaître un nouveau procédé de soudage de l’aluminium : le soudage par friction malaxage ou FSW. Une innovation de rupture qui est venue bousculer les codes de notre industrie.
Le soudage par friction malaxage : la solution pour souder des réservoirs en aluminium
Pour souder des réservoirs à hydrogène en aluminium destinés à l’aéronautique, le FSW se présente comme étant l’une des meilleures techniques. Etant l’une des tendances les plus avancées du monde du soudage, le FSW va permettre de conserver les propriétés mécaniques de l’aluminium. Une soudure FSW aura de meilleures propriétés mécaniques (coefficient d’efficacité de joint entre 70 et 100%) qu’une soudure MIG (un coefficient d’efficacité de joint de 40-50% pour le soudage MIG).
Ce procédé permet également une diminution du taux de défaut post-soudage, une parfaite répétabilité et la possibilité de souder les alliages d’aluminium haute performance. Ces alliages d’aluminium à haute performance (séries 2000 et 7000) sont en effet réputés comme étant « non soudables » par fusion. Aujourd’hui c’est possible grâce au soudage par friction malaxage, leur utilisation va permettre une réduction des épaisseurs des réservoirs et donc un allègement de la structure. De même, le FSW s’inscrit dans cette dynamique d’avion « vert » puisque c’est un procédé propre, sans fumée, sans gaz mais aussi sans ajout de matière. Ainsi, les coûts de consommables s’en retrouvent réduits, il n’en reste plus qu’un, l’outil FSW.
Le FSW, un procédé innovant en quatre étapes :
Le spatial en appui à l’aéronautique
Les thématiques abordées par le spatial sont 100% transférables au sujet aéronautique en ce qui concerne la technologie des réservoirs cryogéniques à hydrogène.
Décomposition d’une fusée
Aujourd’hui la plupart des fusées ont une propulsion principale réalisée à partir de la combustion de l’hydrogène et de l’oxygène. L’hydrogène, sous sa forme liquide, alimente les moteurs des fusées. En effet, pendant les deux premières minutes de décollage d’une fusée, la poussée est assurée par les propulseurs d’appoint au propergol solide. Ces boosters latéraux fournissent 90% de la puissance nécessaire au décollage. Ensuite, c’est l’étage cryogénique principal qui prend le relais. Cet étage est composé de deux réservoirs : un réservoir à hydrogène et un réservoir d’oxygène. C’est la combustion de l’oxygène et de l’hydrogène qui permet de propulser la fusée pendant les dix premières minutes de vol.
L’utilisation de l’hydrogène est irremplaçable dans le spatial. Il permet de réduire considérablement la masse et le volume des lanceurs. Le spatial est donc l’exemple à suivre en matière de réservoir cryogénique à hydrogène.
Stockage de l’hydrogène
L’hydrogène est stocké dans un réservoir cryogénique sous sa forme liquéfiée à -253°C. Ces réservoirs sont en aluminium. En effet du fait de ses excellentes propriétés mécaniques à très basse température, l’aluminium est le matériau parfait pour cette application. Au niveau du stockage, les problématiques de stockage sont les mêmes que celles de l’aéronautique.
Depuis 15 ans, les réservoirs cryogéniques à hydrogène des fusées sont soudés par FSW avec un outil à pion rétractable permettant de combler le trou causé par l’outil lors de l’opération de soudage. Le FSW est préféré aux autres techniques de soudage pour plusieurs raisons :
Aujourd’hui plusieurs réservoirs de lanceurs ont été soudés par FSW. C’est notamment le cas de la fusée Ariane 6, de la Falcon 9 de Space X, de l’Atlas V d’ULA et de la H-II de Mitsubishi. D’autres sont en cours de fabrication come la Falcon 9 FT & Heavy de Space X, l’Angara A5, la Blue Origin, la Vulcan d’ULA, la H-III de Mitsubishi et la Long March-5.
Les avions verts sont donc la priorité des avionneurs. Il est urgent de réduire l’empreinte écologique des nos avions et de pallier le boycott de ces derniers. Alors on parle de biocarburant, d’électricité et d’autres solutions mais la seule réalisable aujourd’hui c’est l’hydrogène. Embarquer de l’hydrogène en vol pour créer de l’électricité est donc le programme de développement phare pour voler au vert d’ici 2050. Le stockage de l’hydrogène ne pourra se faire sans réservoir étanche, léger et prenant le moins de place possible. Un des matériaux en course : l’aluminium. Un matériau léger, avec des propriétés mécaniques améliorées à basse température et de plus en plus utilisé. Ses avantages : il est moins cher que le composite et plus léger que l’acier. Que demander d’autre ?
Un problème pourrait se poser : sa soudabilité. Une technique de soudage pallie ce problème. Le soudage par friction malaxage. Un procédé propre qui conserve les propriétés mécaniques de l’aluminium et garantie une parfaite conductibilité thermique et une parfaite étanchéité.
Stirweld, expert dans le domaine du soudage par friction malaxage ou soudage FSW a intégré l’incubateur de l’ESA, ESA Business Incubation Centre du Nord de la France. Cet incubateur, créé en 2018 permet de favoriser le développement d’entreprise innovante et est fondé, non pas sur le transfert de technologie mais bien sur le déploiement de services et d’applications issues de technologie spatiales. L’incubation de Stirweld au sein de l’ESA permettra de développer de nouveaux concepts de pièces spatiales soudées par FSW. Avant d’être incubé par l’ESA BIC, Stirweld réalisait déjà 30% de son chiffre d’affaires dans le secteur du spatial. Un de ses principaux clients est Ariane, entreprise aérospatiale européenne, pour qui Stirweld est fournisseur de rang 1.
Découvrez l’ESA BIC Nord France : https://www.esabicnord.fr/
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