Des recherches à la pointe sur l'hydrogène

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Stéphane Chevalier, enseignant-chercheur à Bordeaux, présente les enjeux de la technologie hydrogène et les projets structurants mis en œuvre par Arts et Métiers autour de cette technologie.

Pourquoi l’hydrogène est-il un enjeu technologique majeur ? 

Les piles à combustible et les électrolyseurs sont des vecteurs énergétiques, qui permettent de convertir une énergie primaire (énergie éoliennes, solaires, ou fossiles) sous forme électrique ou sous forme chimique : en hydrogène.
Ainsi, l'hydrogène permet le développement de ces technologies, indispensables à notre mix énergétique basé sur des énergies renouvelables -intermittentes-, en stockant l’excédent d’énergie produit ou en palliant un déficit d’énergie disponible pour être en phase avec la demande.
Enfin, l’hydrogène permet un transport d’énergie facile et sur de plus grandes distances que l’électricité. 

Quelles sont les utilisations aujourd'hui des piles à combustible et des électrolyseurs ? 

La technologie des piles à combustible et des électrolyseurs permet la conversion de l’hydrogène en électricité et inversement : l’hydrogène se combine avec l’oxygène de l’air pour produire de l’électricité en ne rejetant que de l’eau.
Cette technologie arrive aujourd’hui à maturité et des applications concrètes pour notre mobilité et nos habitats sont conçues. Mais il reste encore de nombreux verrous scientifiques et technologiques à lever pour améliorer le rendement, la fiabilité, la durée de vie et la densité de puissance des piles à combustibles et électrolyseurs. 

Quels sont ces verrous ? 

Ils se situent autour du rendement et de la fiabilité de ces systèmes. En les améliorant de manière significative, il sera possible de diminuer les coûts de production et de conversion de l’hydrogène.
Nous pourrions résumer l’amélioration des performances de ces systèmes par une maîtrise fine des transferts de masse (hydrogène, oxygène et eau), de chaleur (pour la récupération et la cogénération) et de charge (choix des matériaux catalytique).  

Comment se place Arts et Métiers sur les enjeux liés à l’hydrogène? 

Cela fait déjà plusieurs années qu’Arts et Métiers travaille sur ces technologies. Nous pouvons notamment citer les travaux qui ont été faits sur la conception de nouveaux réservoirs hydrogène haute pression ou encore l’étude de l’impact de l’hydrogène sur les propriétés des matériaux métalliques. Avec l’industrialisation de ces vecteurs énergétiques, l’école est appelée à jouer un rôle important auprès des industriels et de la communauté scientifique pour apporter des systèmes de mesures in situ innovants, des modélisations en temps réel et une conception avancée intégrant l’ensemble des étapes du cycle de vie de ces technologies.

Concrètement, la réponse des Arts et Métiers pourra s’articuler autour de deux grands axes : 

  • En partant du système existant et en lui associant un système de régulation et de contrôle fin qui permet de maximiser les performances en temps réel en jouant sur les conditions opératoires.
    On peut par exemple créer un jumeau numérique d’un électrolyseur ou d’une pile à combustible. 

  • En collectant des données via des méthodes de caractérisation avancées telles que l’imagerie in situ (visible, infrarouge ou X).  

C’est sur ce dernier axe que se situent mes recherches, avec la création de plateforme d’imagerie multispectrale pour la mesure in situ du transfert de masse, charge et chaleur.
Enfin, la collecte de ces données permettra de concevoir de nouvelles solutions pour ces technologies, ce qui une des grandes expertises des Arts et Métiers. 

Quels sont les projets engagés sur l’hydrogène ? 

Il en existe plusieurs : développement de plateforme d’imagerie, instrumentation d’une plateforme de production d’hydrogène vert ou encore caractérisation thermomécanique des réservoirs d’hydrogène sous pression. 
Cela va nous permettre de développer des plateformes de caractérisation et de modélisation qui pourront ensuite être utilisées pour la formation, ce qui est de plus en plus nécessaire à mesure que les technologies basées sur l’hydrogène se déploient dans notre mix énergétique. A ce titre, je constate déjà un intérêt croissant des étudiants sur le sujet des piles à combustible (expertise de 3e année IPM2D du campus de Bordeaux). 
Enfin, pour structurer les travaux de recherche sur le sujet au niveau de l’école, un projet Carnot pour la collecte de données et la construction d’un jumeau numérique d’une chaine hydrogène (production, stockage, usage) est en phase de dépôt pour être financé. 

Stéphane Chevalier

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