Activites de recherche et formation doctorale

4.4 : La production d’hydrogène embarquée

La solution adoptée pour le transport du combustible par le projet FEVER était un réservoir d’hydrogène liquide pouvant contenir 8 kg d’hydrogène. Cette solution s’est vite avérée très encombrante, très complexe, et irréaliste dans l’état actuel de maturité de la distribution d’hydrogène.

D’autres projets, à la même époque, partaient sur des bouteilles d’hydrogènes sous pression, mais les pressions nécessaires pour avoir un minimum d’autonomie étaient très importantes (près de 1000 bars). Non seulement les technologies n’étaient pas matures, mais les coûts énergétiques de compression étaient supérieurs à l’énergie contenue dans les bouteilles.
Au bout de quelques années, la plupart des équipes impliquées dans ce domaine de recherche sont arrivées à la même conclusion : il faut fabriquer l’hydrogène à bord, si possible avec du carburant classique (et donc déjà disponible partout avec son réseau de distribution).
Dans ce domaine de la production d’hydrogène à bord de véhicules automobiles, j’ai, un peu par hasard, participé à 2 projets de recherche, l’un testant une solution par l’utilisation de plasmas froids, l’autre utilisant une intégration thermique poussée, sans catalyseur, par des réactions globalement autothermes.

4.4.1 : Le projet PMFP (Plasma and membrane fuel processing)

C’était un projet pris en charge en 2000 par l’équipe Plasmas du Centre d’Energétique de l’Ecole des Mines de Paris, dans le cadre d’un consortium européen bâti autour de DAIMLER CHRYSLER. Mon expérience, à cette époque, du contexte des piles à combustible m’a permis de participer aux recherches menées par mes collègues de cette équipe.

Etait il possible de concevoir un reformeur embarqué (générateur d’hydrogène par réaction thermodynamique à partir de composé hydrogéné, notamment de type hydrocarbure) utilisant une technologie plasma ? En effet, les conditions thermodynamiques créées par un arc plasma intermittent devaient permettre de séparer les molécules d’hydrogène, sans possibilité de recombinaison, et sans utilisation de catalyseurs en matériaux précieux.
Dans un premier temps, nous avons démontré la faisabilité du concept, par des allers retours fréquents entre des codes spécifiques aux plasmas et des maquettes d’électrodes glissantes.
Puis, nous avons conçu et construit un prototype, et avons testé divers ratios entre hydrocarbure et eau injectée pour améliorer la production d’hydrogène. Ces résultats ont été fournis à DAIMLER CHRYSLER, qui a poursuivi seul les développements sur ce sujet.

4.4.2 : La collaboration avec N-GHY

En arrivant à Albi, j’ai tout de suite été en contact avec une société locale, N-GHY, issue de la recherche de notre laboratoire dans le domaine du reformage pour la production d’hydrogène de type pile à combustible. N-GHY est une entreprise spécialisée dans le domaine de la recherche et du développement de processeurs pour piles à combustibles. Cette société est composée d’une quinzaine de salariés qui sont principalement des ingénieurs et des doctorants.

N-GHY travaille actuellement sur divers projets de générateurs d’hydrogène, notamment à partir de bio carburants, constitués de deux pièces majeures :

• 
  Un module chaud dans lequel sont effectuées les réactions chimiques permettant de produire l’hydrogène
  
• 
  Un module froid qui a pour but de refroidir les gaz afin qu’ils puissent être utilisés ou stockés.
  

Au niveau du module chaud, deux paramètres fondamentaux doivent être « évalués » avec précision, afin d’en optimiser le fonctionnement :

• 
  Les températures atteintes au sein du module
  
• 
  Les écoulements et les mélanges des réactifs et des produits.
  

La spécificité des modules chauds de la société est qu’ils n’utilisent pas de catalyseur noble, et que l’intégration permet de gérer au mieux les différentes réactions afin que le procédé soit neutre au niveau thermique. Aussi, la connaissance des températures de fonctionnement du module est très importante pour déterminer les éléments suivants, indispensables lors du dimensionnement du module :

• 
  Les matériaux, aciers ou céramiques qui constitueront l’isolation du module
  
• 
  Les pertes thermiques dissipées avec le milieu extérieur
  
• 
  Le temps de séjour des réactifs et donc le volume des chambres de réaction
  

Enfin, l’étude des écoulements et des mélanges renseigne sur :

• 
  La bonne homogénéisation des réactifs qui favorisent les réactions chimiques
  
• 
  Le bon dimensionnement des injections (vitesses, trajectoires …)
  

Nous participons donc à l’amélioration des connaissances du comportement thermique du module chaud du reformeur, en utilisant nos codes de calcul des transferts radiatifs (voir chapitre 5) couplés à des codes de mécanique des fluide commerciaux (FLUENT ou STAR CD). Les études sont en cours, en partenariat avec le GRETH du CEA, et font l’objet d’une aide de l’ADEME au travers du réseau PaCO.

Voici les premiers résultats, non publiés, obtenus en termes sources radiatifs dans une première configuration géométrique proposée par nos partenaires.


Figure 41 : Termes sources radiatifs dans le module chaud d’un reformeur prototype de la société N-GHY

4.5 : Conclusion et perspectives

La filière hydrogène a le vent en poupe, et des investissements lourds lui sont réservés sur de nombreux budgets de recherche de la plupart des grosses entreprises mondiales (constructeurs automobiles, chimistes, électromécaniciens, producteurs d’énergie…)

J’ai cru pendant un temps que tout cela arriverait rapidement sur le marché, et que l’on aurait bientôt à disposition une source d’énergie propre et versatile.
Depuis que j’ai repris mes activités dans le domaine du solaire, je crois de moins en moins à l’intérêt de cette filière, qui restera aux mains des mêmes compagnies que celles qui nous approvisionnent actuellement, avec des composants nécessairement très sophistiqués et de très haute technologie.
Si je continue à faire quelques calculs dans ce domaine, c’est bien pour avoir un sujet de collaboration avec une équipe locale dont la motivation reste entière. Mais c’est plutôt vers la production d’énergie par procédés solaires à concentration que je compte consacrer la plus grande partie de mon effort de recherche dans les années à venir.