Le National Composites Centre (NCC) du Royaume-Uni a développé un démonstrateur de réservoir de stockage d’hydrogène liquide spatial mesurant 750 mm de longueur, 450 mm de diamètre et pouvant contenir plus de 96 litres d’hydrogène liquide.

Le réservoir est conçu et fabriqué avec une épaisseur de paroi nominale de 4,0 à 5,5 mm, lui permettant de résister à une pression de 85 bars. La carrosserie en composite de fibre de carbone ne pèse que 8 kilogrammes et une optimisation supplémentaire du poids est prévue. NCC utilise un préimprégné en fibre de carbone époxy MTC510 de 300 mm de large. MTC510 est un système de résine époxy conçu pour durcir entre 80°C et 120°C et est renforcé pour améliorer la tolérance aux dommages. BINDATEX a fourni le ruban préimprégné, qui a été coupé avec précision à une largeur de 6,35 mm et renvoyé sous forme de 22 000 mètres de matériau pour être utilisé dans l'équipement de placement automatisé de fibres (AFP) de Coriolis. Le dispositif Coriolis AFP a été utilisé pour enrouler le ruban préimprégné de 6,35 mm autour d'un moule lavable, le processus d'enroulement étant contrôlé par un logiciel spécialisé pour gérer à la fois l'enroulement hélicoïdal et cerceau. Le processus d'enroulement, avec plus de 24 couches et une épaisseur allant jusqu'à 5,5 mm, peut être ajusté pour optimiser les exigences spécifiques de pression ou de charge du réservoir.

Le moule à noyau, d'une épaisseur de paroi de 30 mm, a été coulé en deux parties puis collées ensemble. L'outil comprend trois anneaux de renfort internes lavables conçus pour résister aux charges de torsion attendues lors du placement automatique de la couche composite et à la pression appliquée lors du durcissement en autoclave. Les ports de vanne de fluide métallique sont intégrés dans le moule à noyau lavable, éliminant ainsi le besoin d'opérations d'assemblage secondaire et de collage sur le produit final. Ces ports sont liés au composite de carbone dans les dernières étapes du processus de fabrication. Après enroulement, le réservoir est inspecté pour déceler les défauts et les variations d'épaisseur, durci dans un autoclave à 100°C et réinspecté. Les tests non destructifs (CND) post-durcissement utilisant le C-scan ultrasonique et la thermographie sont comparés pour identifier les défauts tels que les délaminages et les porosités. Enfin, le moule à noyau interne est rincé à l’eau froide sous pression pour garantir que la cavité du réservoir est dégagée.

Pourquoi utiliser l’hydrogène liquide dans les avions civils ?

L'hydrogène a une densité énergétique pondérale de 33,3 kWh/kg, contre 12 kWh/kg pour le kérosène. Sous pression et température normales, l’hydrogène a une densité de 0,090 kg/m³. À 700 bars (700 fois la pression atmosphérique normale), la densité de l'hydrogène est de 42 kg/m³, permettant à un réservoir de 125 L de stocker 5 kg d'hydrogène. A -252,87°C et 1,013 bar, l'hydrogène liquide a une densité proche de 71kg/m³, permettant à un réservoir de 75L de stocker 5kg d'hydrogène. Le stockage de l’hydrogène liquide dans des réservoirs à basse température permet de réduire davantage le volume.

• 3 000 litres d’hydrogène gazeux à température et pression normales équivalent en énergie à 1 litre de kérosène d’aviation.

• 6 litres d’hydrogène gazeux à 700 bars équivalent en énergie à 1 litre de kérosène d’aviation.

• 4 litres (1,05 gallons) d'hydrogène liquide à -252,87°C et 1,013 bar fournissent la même énergie qu'1 litre de kérosène d'aviation.

D’après ces données, il ressort clairement que le stockage de l’hydrogène liquide (-252,87°C) nécessite le plus petit volume de réservoir de stockage. Les volumes de réservoir plus petits sont plus faciles à intégrer dans la forme aérodynamique d'un avion.

Principaux problèmes techniques des réservoirs de stockage d'hydrogène liquide à basse température (-252,87°C) :

1. Maintenir l'hydrogène liquide du réservoir en dessous de -253°C :Actuellement, une structure isolée sous vide est utilisée entre les réservoirs intérieur et extérieur. Le réservoir intérieur est constitué de composites de résine renforcée de fibres de carbone, tandis que le réservoir extérieur contient plusieurs couches d'isolation spéciale.

2. Installation et maintenance des systèmes internes dans le réservoir :Le défi d’installer et d’entretenir les pipelines et les composants du système à l’intérieur du réservoir si l’on utilise le processus actuel d’enroulement de fibres.

3. Sélection des matériaux pour le réservoir et ses composants internes :L'impact de l'environnement à basse température (-252,87°C) sur les matériaux utilisés pour le réservoir et ses composants internes.

4. Techniques de test à basse température et technologies de gestion des pertes de carburant.

5. Décollages et atterrissages fréquents et durables :Le réservoir d'hydrogène doit résister à environ 20 000 décollages et atterrissages.

Impact sur la structure de l'avion

Les réservoirs de carburant situés dans la structure de l'aile d'un avion sont des cavités utilisées pour stocker le carburant. Un réservoir d'aile d'A320 peut stocker environ 20 tonnes de kérosène d'aviation (similaire pour le Boeing 737 et le COMAC C919). Remplaçant le kérosène par de l'hydrogène liquide, un réservoir cylindrique d'hydrogène liquide de 94 m³ n'a pu être installé que dans l'arrière du fuselage, nécessitant un allongement important du fuselage. Le fuselage arrière est de forme conique avec un diamètre maximum inférieur à 4 m. Il n'est pas pratique d'étendre simplement le fuselage pour accueillir un réservoir de 94 m³ ; par conséquent, le diamètre du fuselage doit également être augmenté.

Dans le nouveau design de l'A320, un réservoir rond et un réservoir conique sont installés à l'arrière du fuselage. Cependant, on ne sait toujours pas si le diamètre du fuselage sera augmenté, bien que cela soit probable. Le Royaume-Uni a dévoilé un modèle d'avion civil propulsé à l'hydrogène liquide, avec le fuselage étroit « FZN-1E » pour remplacer l'actuel A320. Cette nouvelle conception allonge le fuselage de 10 m, augmente le diamètre de 1 m, présente une disposition de cabine à deux couloirs, des ailes redessinées, a ajouté"avant-plans"sur le nez et les moteurs montés sur la queue.

Progrès

Les moteurs des avions civils sont de deux types : les turbopropulseurs et les turboréacteurs. Pour les avions équipés de turbopropulseurs, l’hydrogène produit de l’électricité via des piles à combustible pour alimenter les générateurs entraînant les hélices. Ce type de moteur est principalement installé sur les avions régionaux de 10 à 70 sièges et les petits avions de l'aviation générale. Les premières recherches sur l’hydrogène ont commencé avec ces types d’avions. Le 12 avril, un avion allemand à hydrogène électrique à 4 places « HY-4 » a volé avec succès de Stuttgart à Friedrichshafen. Plus tard cette année, nous pourrions voir dans le ciel des avions électriques à hydrogène « Dornier » de 19 places et « Q-400 » et « ATR72-600 » de 75 places. En avril 1988, l'Union soviétique a testé en vol un Tu-155 modifié équipé d'un turboréacteur à hydrogène liquide. Après la dissolution de l’Union Soviétique, la Russie n’a pas poursuivi ces recherches.

Actuellement, seules quatre sociétés dans le monde produisent et développent des avions civils de plus de 100 sièges : Boeing, Airbus, COMAC et la Russie. Selon un récent rapport de médias étrangers, seuls Boeing et Airbus mènent de véritables recherches sur les applications des avions civils à hydrogène liquide. Le projet de Boeing, mené il y a plus de dix ans sur un petit"Dimona"planeur à hélice, était préliminaire. Airbus est en avance, ayant commencé les essais en vol à haute altitude de turboréacteurs à double flux alimentés à l'hydrogène liquide. Ils ont également fourni des conceptions préliminaires pour trois types d’avions : les avions à hélices, les avions de 150 places et les gros-porteurs. De plus amples informations sont disponibles sur l'avion de 150 places, qui devrait remplacer l'A320 monocouloir de 150 places, commercialisé depuis près de 40 ans. Airbus prévoit de lancer un"nouvel A320"entre 2030 et 2035. Le nouvel avion sera doté d'un"albatros"configuration aérodynamique avec un rapport d'aspect ultra-élevé, des bouts d'ailes rabattables et battants et sans volets de carénage. Les matériaux utilisés seront des composites de résine époxy renforcée de fibres de carbone thermodurcies pour les ailes et des composites de fibres de carbone thermoplastiques hautes performances pour le fuselage. Ce nouvel avion utilisera de l'hydrogène liquide au lieu du kérosène d'aviation, avec un objectif de conception et de fabrication de produire 70 à 100 avions par mois. Airbus est loin devant Boeing dans le développement d'avions à hydrogène liquide (aucune information sur le remplacement du 737 par Boeing par de l'hydrogène liquide n'a été rapportée).

Que pouvons-nous faire?

L’utilisation de l’hydrogène au lieu des combustibles fossiles permet non seulement de réduire les émissions de carbone, mais revêt également une importance stratégique pour les pays manquant de ressources pétrolières. La Chine est le premier producteur mondial d'hydrogène, avec une production annuelle d'environ 33 millions de tonnes. Plusieurs entreprises sont impliquées dans la production d’hydrogène liquide et la Chine est le deuxième producteur mondial de fibre de carbone. Ainsi, le développement et la production de réservoirs de stockage d’hydrogène composites reposent sur une base matérielle solide.

Les différents réservoirs de stockage d'hydrogène liquide pour l'aérospatiale et l'aviation abordés dans cet article démontrent que les réservoirs de stockage sont conçus et fabriqués pour répondre aux besoins spécifiques et aux espaces structurels de divers produits. Actuellement, de nombreux produits industriels utilisent encore des combustibles fossiles ou de l’électricité du réseau. Ceux-ci peuvent envisager de passer à l’énergie hydrogène. Il existe une vaste gamme de produits à développer dans le domaine du stockage de l’hydrogène et de nombreuses tâches nous attendent.

Certaines données de cet article, provenant d’Internet, ont été vérifiées à plusieurs reprises quant à leur exactitude. Ces données peuvent être utilisées pour estimer les dimensions de conception initiales et la capacité des réservoirs de stockage d’hydrogène.