Quelle place occupent les matériaux composites dans l’hydrogène ?

L’hydrogène (H₂) est un vecteur énergétique. Il est issu à 95% de la transformation d’énergies fossiles (pétrole, gaz naturel, et charbon).

Le procédé de production de l’hydrogène génère des émissions de gaz à effet de serre (CO₂).
Pour information, plus de 800 millions de tonnes de CO₂ sont émises chaque année avec ce procédé.

Produire et utiliser de l’hydrogène décarboné devient donc un enjeu majeur dans la transition énergétique.

Qu’appelle-t-on Hydrogène Vert ?

L’hydrogène « vert » (dit renouvelable) est fabriqué par électrolyse de l’eau à partir d’électricité provenant uniquement d’énergie renouvelable. (Éolien, solaire, hydraulique)
Une fois fabriqué, cet hydrogène doit être stocké, puis transporté jusqu’à son lieu de distribution et d’utilisation.

Les freins à son déploiement sont ses coûts de production et celui des électrolyseurs.

L’hydrogène en France est un marché à fort potentiel, notamment grâce au plan mis en place par le gouvernement qui a pour objectif d’accompagner l’innovation et le déploiement industriel de l’hydrogène décarboné.

Ce plan repose sur 3 axes :

La production d’hydrogène par électrolyse pour l’industrie
L’usage dans la mobilité en complément des filières batteries
L’introduction dans les réseaux énergétiques

FOCUS sur l’utilisation de l’hydrogène pour la mobilité

Quelques chiffres

En France, le transport est responsable de 38% des émissions de gaz à effet de serre.

Chiffres Citepa pour l’année 2017.

Un véhicule diesel produit entre 40 et 45 tonnes de CO₂ sur l’ensemble de sa durée de vie
Un véhicule hydrogène produit un peu plus de 35 tonnes
Un véhicule hydrogène produit par électrolyse renouvelable produit quant à lui moins de 15 tonnes.

Nous comprenons facilement que les enjeux de l’hydrogène décarboné dans la mobilité sont considérables pour réduire drastiquement les émissions.

Comment fonctionne actuellement une pile à combustible ?

L’hydrogène alimente la pile à combustible — celle-ci produit de l’électricité — et entraine le fonctionnement du moteur électrique qui fait avancer le véhicule.
Alimentée par un mélange d’air et d’hydrogène, la pile convertit l’énergie chimique de l’hydrogène en énergie électrique suivant le principe inverse de l’électrolyse.
La pile à combustible permet de produire de l’électricité sans autre émission que de la vapeur d’eau.

cycle production stockage utilisation mobilité hydrogène

La pile à combustible générateur d’électricité pour les voitures électriques

La pile à combustible (PAC) réalise en son cœur une combustion électro-chimique contrôlée d’oxygène (O₂) et d’hydrogène (H₂), avec pour résultat une production simultanée d’eau, de chaleur et surtout d’électricité.
Cette réaction chimique se fait notamment par l’intermédiaire de plaques associés à d’autres composants. Ces plaques sont appelées « plaques bi-polaires », et peuvent être, suivant la technologie retenue, soit en métal formé soit en graphite usiné.
Une PAC est donc constituée de plusieurs dizaines voire centaines de plaques empilées qui sont maintenus entre deux flasques de maintien latérales en métal, le tout faisant l’objet d’un serrage définitif par l’intermédiaire de tirants filetées en acier isolé.

Comment ICM Industrie répond à ce besoin ?

ICM Industrie est expert en usinage sur les matériaux synthétiques. Nous sommes donc idéalement positionnés pour réaliser l’usinage de ces plaques bi-polaire.
Les tiges filetées en acier sont avantageusement remplacées par des tiges filetées en stratifiés composites.
Et enfin, les flasques latéraux de maintien en stratifié composite peuvent se substituer aux flasques en métal.

Nos multiples expertises dans la cryogénie, la haute température, mais aussi le diélectrique et une multitude d’applications mécaniques font donc d’ICM Industrie le spécialiste des solutions composites, applicable à la pile à combustible.

« Quelque soit les contraintes imposées, il existe une solution dans la structure même du composite »

Observons plus largement, les possibilités des matériaux composites.

Les caractéristiques du composite

Un matériau stratifié composite est un matériau qui est constitué d’au moins 2 composants distincts, qui possède des caractéristiques intrinsèques qui lui sont propres, et dont les propriétés sont différentes de celles des deux matériaux distincts qui le compose.

Ces caractéristiques propres sont principalement : physiques, diélectriques, mécaniques et chimiques.

La gamme produits proposée par ICM Industrie couvre un très large spectre d’applications : du 0°Kelvin ( -273°C) jusqu’à 700°C.
Dans cette gamme de produits figure des stratifiés composites comme la bakélite (qui est un des plus anciens matériaux composites à usage industriel), le mica aggloméré pour les hautes températures mais aussi les stratifiés verre époxy, et également les verre polyester.

Échelle de températures – utilisation des composites

Avantages du composite

Principalement composé d’un renfort (principalement en fibre de verre) et d’un liant (une résine), les matériaux stratifiés composites présentent des propriétés remarquables :

La légèreté, avec des densités qui vont de 1.3 à 2.3.
L’isolation diélectrique, jusqu’à 20kv/mm d’épaisseur de produit.
La résistance mécanique, certaines références garantissent un module d’élasticité en flexion de 24GPa (plus ce module est élevé, plus la résistance à la déformation du matériau est grande).
Étant imputrescible, ils sont tous adaptés pour des applications en milieux humide (brouillard salin par exemple ou atmosphère tropicale).
Avec une conductivité thermique faible, ils constituent un véritable rempart ralentissant au maximum le passage des calories.
Fortement recommandés pour des applications dans les domaines ferroviaire et aéronautique, leur classement feu/fumée est approuvé et encadré par les normes les plus strict, comme la norme américaine UL94 (cette norme établi un classement de tenue au feu pour toutes les matières de la grande famille des plastiques, dont font partie les stratifiés composites).
Et enfin en atmosphère chimique, leur résistance à de multiples agents corrosifs est très large (bases, solvants, acides divers, carburants, huiles).
La visserie composite remplace ainsi celle en métal en cas de projections de liquide corrosif (bain électrolytique par exemple).

De plus, ICM Industrie réalise le surmoulage de stratifiés composites sur support métallique (selon traitement spécifiques), permettant de multiples applications.
Exemple : associer la rigidité du métal et l’isolation diélectrique du composite.

Les composites, une alternative gagnante face aux métaux

Si l’on peut, bien évidemment, associer ces deux matériaux que sont les métaux et les composites, chacun possède néanmoins des propriétés propres qui sont bien différentes.

comparatif composites vs matérieux — comparatif composites vs métaux

Les matériaux stratifiés composites présentent tout d’abord un fantastique atout : leur légèreté.

En pesant une éprouvette de même dimensions réalisé dans 3 types de matériaux, successivement composite, aluminium 2017 et acier inoxydable 316L, on constate que l’écart mesuré est énorme, atteignant presque un coefficient de X4 dans le cas de l’acier inoxydable.
C’est en grande partie pour cette raison qu’aujourd’hui, de nombreux équipements sont réalisés en matériaux composites : jusqu’à 50% de la structure d’un Airbus A350, les carénages avant de la plupart des motrices ferroviaires, les pales d’éoliennes parmi les exemples les plus connus.
Nous constatons également que la dilatation linéique des matériaux composites (dilatation ou rétractation dans une direction axiale) est égale à celle de l’acier, et bien inférieure à celle de l’aluminium.
Dans le domaine de la cryogénie, cette propriété, associée à une faible conductivité thermique, permet par exemple l’utilisation dans les compresseurs et les pompes destinées au transport et au stockage de gaz liquéfiés (- 160°C pour le gaz naturel liquéfié).
La résistance mécanique des matériaux stratifiés composites est certes plus faible que celles des métaux comme l’aluminium ou l’acier, mais associée à une excellente conductivité thermique, elle autorise un emploi massif dans tous les cas où l’on recherche une isolation thermique efficace associée à un support mécanique permettant de garantir rigidité et tenue dans le temps.