Soutenance mémoire
Actuellement, la menace qui pèse sur notre environnement, en raison de l’utilisation d’énergies fossiles (pétrole, gaz, carbone), devient de plus en plus pressante. Cette menace ne contribue pas seulement à épuiser les réserves naturelles mais contribue aussi à augmenter les gaz à effet de serre et les émissions polluantes. Les énergies propres, énergies qui produisent une quantité faible de polluants, sont essentiellement requises pour remplacer les systèmes énergétiques actuels. Parmi les candidats potentiels, l’hydrogène apparait comme un vecteur énergétique particulièrement intéressant car il est à la fois inépuisable, non polluant et peut être produit à partir de l’eau. L’utilisation de l’hydrogène, moyennant des convertisseurs efficaces comme les piles à combustible (PAC), constitue un vecteur énergétique prometteur dans l’optique de la construction de véhicules propres (ZEV : Zero Emission Vehicle). L’hydrogène devrait donc jouer dans l’avenir un rôle important dans le cadre du développement durable. Pour que l’hydrogène puisse réellement devenir le vecteur énergétique de demain, il faut qu’il soit disponible à tous moment. Dans ce contexte mettre au point des modes de transport, de stockage et de distribution efficaces, représente un enjeu crucial. Aujourd’hui, le stockage de l’hydrogène reste la solution la plus satisfaisante dans l’attente de spécifications techniques et économiques des industriels qui soient stables. Il existe trois stratégies différentes de stockage selon l’état de l’hydrogène (solide, liquide et gazeux). Son conditionnement sous forme gazeuse reste néanmoins l’option la plus prometteuse. Le stockage sous forme de gaz comprimé à de très hautes pressions apparaît à l’heure actuelle comme la solution présentant le meilleur compromis en termes de densité massique et volumétrique. Des progrès concernant le mode et les pressions de stockage ont été faits en passant de 200 bar à 350 bar dans le cas des bouteilles distribuées dans l’industrie. A présent, les développements se tournent vers des réservoirs pouvant supporter des pressions de 700 bar. Les réservoirs de stockage gazeux hyperbare peuvent être classés en quatre catégories selon leurs matériaux constitutifs.
– Les réservoirs de « type I » sont entièrement métalliques. Ces réservoirs présentent l’inconvénient d’avoir une masse importante et ainsi des densités de stockage faibles (de l’ordre de 1.2%). Par ailleurs les pressions maximales de stockage sont limitées à 300 bar.
– Les réservoirs de « type II » sont métalliques avec un frettage en partie cylindrique. Ces réservoirs présentent néanmoins les mêmes inconvénients que ceux de type I. En dépit d’une densité de stockage supérieure (1.4%) grâce à une diminution de masse, l’augmentation de pression de stockage reste mineure.
– Les réservoirs de « type III » sont en matériaux composites avec un liner (revêtement interne) métallique. Cette combinaison permet d’atteindre des pressions plus élevées (jusqu’à 700 bar). Les principaux inconvénients se situent au niveau de la résistance à la fatigue qui reste encore faible tandis que la masse de l’ensemble demeure encore élevée.
– Les réservoirs de « type IV » sont des réservoirs en composites (principalement en fibres de carbone) avec un liner en polymère (thermoplastique ou thermodurcissable). Dans ce cas, le liner ne supporte par la charge, il assure seulement l’étanchéité à l’hydrogène. Les propriétés particulières des polymères permettent d’allonger considérablement la durée de vie en fatigue du réservoir et leur faible densité permet de diminuer la masse totale de l’ensemble. Cette combinaison permet d’atteindre des niveaux de pression élevés comparables à ceux des réservoirs de type III (700 bar). Le stockage de l’hydrogène de type IV est à l’heure actuelle la technologie la plus avancée.
Bien que le développement des réservoirs de type IV ait débuté au CEA en 1998, à l’heure actuelle la solution la plus satisfaisante, compte tenu de l’ensemble des spécifications techniques et économiques formulées par les industriels, n’est pas encore définie. Au-delà de l’acceptabilité sociale à court et long terme de ces systèmes, un réservoir mal dimensionné peut avoir des conséquences très préjudiciables en termes de sureté, de fiabilité, de performance et de coût. Pour améliorer les performances et la durabilité des réservoirs, des progrès sont encore nécessaires. C’est dans ce contexte que s’inscrit ce travail de thèse. Nous avons étudié le stockage de l’hydrogène dans des réservoirs de type IV, en composites carbone/époxy pour des applications dans le domaine des transports. Notre objectif est d’identifier les mécanismes d’endommagement spécifiques des différents constituants des réservoirs, de déterminer leur durabilité en conditions normales de service (hors accident/incident) et de rétroagir sur les technologies, outils de conception, d’élaboration, de caractérisation voir de qualification de ces réservoirs.
Conception des réservoirs en composites
Aujourd’hui un « moteur dit propre à rejet d’eau » est réalisé grâce à de l’hydrogène comprimé stocké dans un réservoir hyperbare en composite. Son utilisation associée à des convertisseurs efficaces comme les piles à combustible (PAC), constitue un vecteur énergétique prometteur dans une optique de construire des véhicules dits propres (ZEV : Zero Emission Vehicle). La molécule d’hydrogène que nous utilisons le plus couramment a l’avantage d’être particulièrement énergétique : 1 kg d’hydrogène libère environ 3 fois plus d’énergie qu’ 1 kg d’essence (soit 120 MJ/kg contre 45 MJ/kg pour l’essence). Cependant, comme l’hydrogène est le plus léger des éléments, il occupe à poids égal, beaucoup plus de volume qu’un autre gaz. Ainsi, pour produire autant d’énergie qu’avec 1 litre d’essence, il faut 4.6 litres d’hydrogène comprimé à 700 bar (la pression optimisée en termes de masse par volume pour l’hydrogène comprimé [Chapelle et Perreux, 2006]). Ces volumes importants représentent une contrainte pour le transport et le stockage embarqué sous forme gazeuse. L’avantage des réservoirs composites est leur légèreté. Une comparaison des masses par unité de volume montre qu’un réservoir en composite présente une masse inférieure de 25 à 75% à celle d’un réservoir en acier du même volume. De même, un réservoir en fibres de carbone à liner polymère permet de gagner 4% de masse par rapport à son homologue à liner aluminium. Les réservoirs composites de type IV à liner polymère sont de plus en plus légers, moins chers et ont des durées de vie supérieures (absence de fatigue et de fluage du liner) que les réservoirs à liner aluminium. Des progrès sont surtout recherchés dans le composite (tenue à la pression) et le liner polymère (barrière d’hydrogène). Ces deux éléments sont essentiels dans les réservoirs de type IV, le troisième étant constitué par les embases permettant la connexion de remplissage. L’assemblage du liner polymère avec les embases métalliques est réalisé en premier lieu par rotomoulage réactif. La coque composite externe est ensuite déposée sur l’intégralité de la surface du liner par enroulement filamentaire . La couche imprégnée de résine est appliquée sur le liner par un mouvement d’aller-retour qui permet d’obtenir suivant les différents types d’enroulements nécessaires, le bobinage complet du réservoir. La séquence d’empilement retenue pour le composite dans le cas d’un bobinage complet peut varier jusqu’ à 90° par rapport à l’axe du réservoir selon la géométrie souhaitée. Dans le cadre d’une optimisation du réservoir, la séquence d’empilement joue un rôle important au niveau de la coque composite. Cet élément est majeur en termes de masse et de coût.
Les matériaux composites en général
Un matériau composite peut être défini comme un assemblage de plusieurs matériaux de natures différentes [Berthelot, 2012], [Bunsell et Renard, 2005], [Renard, 2005], en général une matrice et un renfort fibreux. Le renfort apporte au matériau composite ses performances mécaniques élevées (module et limite d’élasticité, résistance mécanique…) alors que la matrice a pour rôle de transmettre aux fibres les sollicitations mécaniques extérieures et de les protéger vis-à-vis des agressions extérieures.
Les fibres de carbone
Les fibres de carbone utilisées comme renfort présentent un comportement élastique linéaire avec une très bonne tenue thermique et un très faible coefficient de dilation. Elles sont fabriquées à partir du précurseur polyacrylonitrile (PAN) par carbonisation en atmosphère inerte. On trouve deux principales classes de fibres, selon leurs caractéristiques mécaniques qui découlent directement de leur mode d’élaboration :
– les fibres haut module (HM) ayant typiquement un module compris entre 300 à 600 GPa pour une résistance à la rupture comprise entre 3500 et 5000 MPa ;
– les fibres haute résistance ou ténacité (HR ou HT) ayant typiquement une résistance comprise entre 3000 et 7500 MPa avec un module généralement compris entre 200 et 300 GPa.
La fibre de carbone a la particularité de présenter des valeurs assez dispersées à rupture. La résistance à rupture tend à diminuer avec des longueurs de fibres croissantes. Ceci s’explique par la présence de défauts le long de la fibre, lesquels entraînent que plus la longueur de la fibre augmente plus la possibilité que la fibre contienne un défaut qui l’affaiblisse augmente aussi. La rupture de la fibre est par conséquent contrôlée par la distribution aléatoire de défauts. L’effet d’une distribution aléatoire d’un seul type de défaut sur la résistance d’un solide à été décrit de manière statique par le modèle de Weibull [Weibull, 1951] qui compare la rupture d’un solide à la rupture d’une chaîne dans lequel le maillon le plus faible est déterminant. L’expérimentation sur une fibre unitaire est donc nécessaire pour connaître précisément la fonction de distribution des défauts [Baxevanakis et al., 1995].
Les matrices époxy
Les matrices utilisées dans les matériaux composites ont pour rôle de transférer les sollicitations mécaniques aux fibres et de les protéger de l’environnement extérieur. Elles doivent en conséquence s’adapter aux fibres qu’elles entourent en étant assez déformables et présenter une bonne compatibilité avec elles. Les matrices organiques se divisent en deux grandes familles :
– les matrices thermoplastiques constituées de polymères à chaînes linéaires. Elles sont mises en forme par changement d’état, chauffage et durcissent au cours du refroidissement suivant une transformation réversible.
– les résines thermodurcissables à structure réticulée sans point de fusion. Elles passent de manière irréversible de l’état liquide à l’état solide. Leur mise en œuvre résulte d’une réaction chimique entre une résine de base et un durcisseur ou catalyseur.
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Table des matières
Introduction
Chapitre I – Contexte Industriel de la thèse
I.1 Conception des réservoirs en composites
I.2 Problèmes et objectifs de l’étude
Chapitre II – Présentation du matériau et du réservoir
II.1 Les matériaux composites en général
II.1.1 Les fibres de carbone
II.1.2 Les matrices époxy
II.1.3 Les composites stratifiés
II.1.3.1 Les échelles usuelles de travail
II.1.3.2 Les différents repères liés aux stratifiés
II.1.3.3 Comportement mécanique du pli unidirectionnel
II.1.3.4 Endommagement et mécanismes d’endommagement
II.2 Les réservoirs bobinés en composite
II.2.1 Enroulement filamentaire
II.2.2 Endommagement dans les réservoirs composites
II.2.3 Fabrication du réservoir dans le cadre de l’étude
II.2.3.1 Description du procédé de fabrication
II.2.3.2 Contrôle de réservoir fabriqué
II.2.3.3 Les matériaux composites représentatifs
Chapitre III – Caractérisation du composite
III.1 Introduction
III.2 Essais de traction sur fibre unitaire
III.2.1 Objectifs
III.2.2 Eprouvettes et moyens d’essais
III.2.3 Résultats expérimentaux
III.3 Essais de traction sur composite carbone/époxy
III.3.1 Objectifs
III.3.2 Eprouvettes et moyens d’essais
III.3.3 Méthode d’observation de l’endommagement
III.3.3.1 Microscope optique
III.3.3.2 Emission acoustique
III.3.4 Résultats expérimentaux
III.3.4.1 Caractérisation du comportement
III.3.4.2 Endommagement et mécanismes d’endommagement
III.3.4.2.1 Rupture de fibres
III.3.4.2.2 Fissuration transverse
III.3.4.2.3 Délaminage
III.4 Analyse de la température de transition vitreuse du composite
III.4.1 Objectifs
III.4.2 Analyse thermomécanique DMTA
III.5 Analyse la fraction volumique de fibres du composite
III.5.1 Objectifs
III.5.2 Analyse d’images
III.5.3 Analyse par pyrolyse
III.5.4 Comparaison des résultats locaux et globaux
Chapitre IV – Caractérisation de l’embase et du liner
IV.1 Introduction
IV.2 Essais de traction sur embase
IV.2.1 Objectifs
IV.2.2 Eprouvettes et moyens d’essais
IV.2.3 Résultats expérimentaux
IV.3 Essais de traction sur liner
IV.3.1 Objectifs
IV.3.2 Eprouvettes et moyens d’essais
IV.3.3 Résultats expérimentaux
IV.4 Essais Arcan-Mines sur la liaison embase-liner
IV.4.1 Objectifs
IV.4.2 Eprouvettes, dispositif Arcan-Mines et moyens d’essais
IV.4.3 Résultats expérimentaux
Chapitre V – Caractérisation du réservoir de l’étude
V.1 Introduction
V.2 Essais sur réservoirs 2L
V.2.1 Objectifs
V.2.2 Réservoirs 2L et moyens d’essais
V.2.3 Moyens de mesures de l’état de déformation
V.2.3.1 LVDT et jauges de déformation
V.2.3.2 Analyse d’images
V.2.4 Méthode d’observation de l’endommagement : émission acoustique
V.2.5 Résultats expérimentaux
V.2.5.1 Analyse de l’état de déformation
V.2.5.2 Analyse des signaux acoustiques
V.3 Analyse de la fraction volumique du réservoir
V.3.1 Objectifs
V.3.2 Analyse d’images
V.3.3 Analyse par pyrolyse
V.3.4 Comparaison des résultats
Chapitre VI – Critère de rupture des fibres : approche probabiliste
VI.1 Introduction
VI.2 Synthèse bibliographique
VI.3 Echelle microscopique
VI.3.1 Distribution des contraintes à rupture de fibres et longueur inactive
VI.3.2 Choix du VER : taille, Vf, arrangement
VI.3.3 Homogénéisation et conditions aux limites périodiques
VI.3.4 Comportements des constituants
VI.3.5 Chute de la rigidité des fibres rompues et raffinement du maillage
VI.3.6 Processus du calcul
VI.3.7 Résultats numériques
VI.4 Echelle macroscopique
VI.4.1 Simulation de l’éprouvette composite unidirectionnelle
VI.4.2 Dispersions de la fraction volumique locale/globale et effet d’échelle du
changement de taille du VER
VI.4.3 Comportement du VER et chute de la rigidité du VER rompu
VI.4.4 Processus du calcul
VI.4.5 Résultats numériques et validation du critère
VI.5 Effet de la température
VI.5.1 Identification du comportement de la résine
VI.5.2 Prise en compte de l’effet température dans le modèle multiéchelle
VI.5.3 Résultats numériques et validation de la prise en compte de l’effet de
température
Chapitre VII – Simulation numérique du réservoir composite
VII.1 Introduction
VII.2 Architecture du composite et géométrie du dôme
VII.3 Maillage et conditions aux limites du réservoir
VII.4 Comportement des composites
VII.5 Modèles d’endommagement
II.5.1 Partie composite
II.5.1.1 Rupture des fibres
II.5.1.2 Fissuration des plis
II.5.1.3 Délaminage
II.5.2 Embase-liner
II.5.2.1 Plastification de l’embase
II.5.2.3 Décohésion à l’interface embase-liner
VII.6 Résultats numériques
II.6.1 Calcul d’éclatement du réservoir
II.6.2 Effet de la température
VII.7 Effet des jeux : analyse des jeux dans le dôme
VII.8 Critère probabiliste vs déterministe (Hashin)
Chapitre VIII – Recommandation sur l’embase et la coque composite
VIII.1 Introduction
VIII.2 Recommandations sur l’embase
VIII.3 Recommandations sur la coque composite
Conclusions
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