Sciences et génie des matériaux

ISMME - Ingénierie des Systèmes, Matériaux, Mécanique, Énergétique

JOANNES Sebastien

Centre des Matériaux

30/04/2024

Cold spray, hydrogène liquide, réservoir

Cold spray, liquid hydrogen, tank

Mettre au point un réservoir en composite, donc léger, qui assure le maintien en température de l'hydrogène liquide pour une durée compatible avec la mobilité lourde, est une innovation de rupture, qui libère le remplacement des carburants fossiles par de l'hydrogène liquide. La mise au point de ce réservoir passe la mise au point d'un revêtement à base d'aluminium, avec un rôle de barrière d'étanchéité, à appliquer la paroi intérieure du réservoir, en contact avec l'H2 liquide.

The development of a lightweight composite tank that maintains the temperature of liquid hydrogen for a period compatible with heavy-duty mobility is a breakthrough innovation that opens up the possibility of replacing fossil fuels with liquid hydrogen. The development of this tank involves the application of an aluminum-based coating, acting as a sealing barrier, to the inner wall of the tank, in contact with the liquid H2.

L'Europe et la France se sont engagées dans le développement de la filière énergétique hydrogène. L'hydrogène est perçu comme un carburant susceptible de dégager la mobilité de sa dépendance aux combustibles fossiles, et de la génération de gaz à effet de serre polluant notre atmosphère. L'hydrogène a l'avantage de ne produire que de l'eau, lorsqu'il passe un travers une pile à combustible, et de l'eau et un peu de NOx lorsqu'il est brûlé à travers un moteur à combustion interne. L'hydrogène utilisé comme carburant est stocké sous forme gazeuse à haute pression (350 à 700 bar) dans des réservoirs à base de composite carbone bobiné, ou sous forme liquide dans des réservoirs à double peau en aluminium. Dans ce dernier cas, un vide poussé est créé dans l'espace inter-peaux, pour assurer l'isolation. Ces réservoirs d'hydrogène, gazeux ou liquide, pèsent très lourd du fait de la nécessité d'assurer l'imperméabilité à l'hydrogène liquide et gazeux et, pour le réservoir à H2 liquide, la nécessité de maintenir la température de liquéfaction de l'hydrogène (-253°C) et de limiter autant que possibles les entrées thermiques. Le poids alourdit considérablement les véhicules ; l'hydrogène gazeux fournit une autonomie limitée et n'est réellement utilisable que sur voitures et camionnettes urbaines. L'usage de l'hydrogène liquide est indispensable pour assurer l'autonomie en mobilité de transports terrestres lourds (camions, trains de fret), mobilité fluviale/maritime et aéronautique, à la condition que le poids des réservoirs soit maitrisé.
L'objet de la recherche est centré sur l'obtention d'un dépôt aluminium (avec possibilité d'inclure alumine et/ou zinc) par la technologie « cold spray » sur deux types de composites : un composite carbone avec base époxy et un composite carbone avec base PEEK. Cela passe par l'étude approfondi des liaison métal/polymère et des mécanismes portant à l'adhésion d'un revêtement cold spray sur un composite.
L'objectif final est la conception de la totalité d'un réservoir d'hydrogène liquide en composites carbone. Ce réservoir obéira aux contraintes suivantes :
• tenue au vide,
• faible perméabilité à l'H2 gazeux et liquide à 20 K,
• résistance au choc thermique (lors du 1er remplissage, le réservoir interne subira un choc thermique passant de la température ambiante à -253°C. Le revêtement devra donc conserver ses propriétés mécaniques et de barrière sur l'étendue de la plage. Il peut y avoir notamment brèche dans les propriétés du fait de la différence de rétractation thermique entre la couche ‘composite' et le revêtement),
• résistance aux conditions opératoires (cycles thermiques, accélérations/décélérations et vibrations mécaniques) ; les procédures de certification imposent une résistance aux accélérations transversales, décélérations et vibrations. Elles diffèrent par type d'industrie.
Cela se traduit en termes des propriétés du matériau composite revêtu par la minimisation de l'épaisseur du revêtement (limitation du poids) et de la porosité (tenue au vide et faible perméabilité pour un revêtement appliqué à la face intérieure de l'enveloppe extérieure), par la maximisation de l'adhésion et par l'optimisation du gradient de composition, qui devra permettre de minimiser les contraintes générées dans les matériaux lors du choc et des cycles thermiques.
Le projet de thèse est porté par 3 intervenants.
• Design Tech Centre (DTC http://design-tech-centre.com/ ) est une petite entreprise, architecte/ensemblier qui développe des véhicules aériens ou terrestres grande vitesse (type Formule 1) tout ou partie en matériau composite.
L'ADN de DTC est autour de l'innovation :
o Penser en dehors de la boite
o L'agilité et la persévérance au service d'innovations incrémentales et de rupture
o Agréger les expertises internes & externes
DTC a plusieurs premières mondiales à son actif, notamment la modification d'un avion à propulsion électrique au profit de Rolls Royce, et la conception et tests du 1er avion hybride européen le Voltaéro Cassio.
Pour favoriser son expansion, DTC a en cours, un projet de mise au point d'un réservoir cryogénique en matériau composite pour stocker des liquides à l'état cryogénique (hydrogène, azote, hélium,..). La promesse est
a) un réservoir beaucoup plus léger que les réservoirs métalliques,
b) un réservoir capable de prendre les formes les plus complexes (donc non limité à la sphère ou au cylindre), qui s'adapte à l'espace disponible dans le véhicule.
Les marchés visés sont ceux de la mobilité aéronautique, maritime et terrestre lourde (camions, bus, trains).
DTC est l'industriel, qui a pour vocation à valoriser les résultats de la thèse. Il fournit l'environnement industriel avec des moyens d'informatique personnelle et de calcul, les logiciels de conception et de calcul, l'encadrement par un ingénieur sénior, les moyens de construction du prototype final de réservoir.

• Le Centre des Matériaux de de Mines Paris assure l'encadrement académique de la thèse (qui est réalisée en majorité dans les locaux du centre à Evry), l'accès à ses installations ‘cold spray'.
• Le Centre Européen d'Etudes Nucléaires (CERN - https://home.cern/fr/about ) à Genève. Le CERN, fondé en 1954, l'Organisation européenne pour la recherche nucléaire, est l'un des plus grands et des plus prestigieux laboratoires scientifiques du monde. Il a pour vocation la physique fondamentale, la découverte des constituants et des lois de l'Univers. Pour achever sa mission scientifique le CERN développe et utilise des technologies très complexes pour sonder les constituants ultimes de la matière : les particules fondamentales. Dans le cadre de ses activités de transfert de connaissances, le CERN met à disposition de l'industrie de ses états membres son savoir-faire technologique unique pour ainsi les aider dans leur effort d'innovation et maximiser son impact positif sur la société dans des domaines critiques tels que l'environnement.
Le CERN fournit l'accès à des moyens d'essais non disponible au Centre des Matériaux de Mines Paris.

Directeur de Thèse: Sebastien JOANNES

Co-encadrant : Francesco DELLORO

Ingénieur et/ou Master recherche - Bon niveau de culture générale et scientifique. Bon niveau de pratique du français et de l'anglais (niveau B2 ou équivalent minimum). Bonnes capacités d'analyse, de synthèse, d'innovation et de communication. Qualités d'adaptabilité et de créativité. Capacités pédagogiques. Motivation pour l'activité de recherche. Projet professionnel cohérent.

Pré-requis (compétences spécifiques pour cette thèse) :

Pour postuler : Envoyer votre dossier à recrutement_these@mat.mines-paristech.fr comportant
• un curriculum vitae détaillé
• une copie de la carte d'identité ou passeport
• une lettre de motivation/projet personnel
• des relevés de notes L3, M1, M2
• 2 lettres de recommandation
• les noms et les coordonnées d'au moins deux personnes pouvant être contactées pour recommandation
• une attestation de niveau d'anglais

Engineer and / or Master of Science - Good level of general and scientific culture. Good level of knowledge of French (B2 level in french is required) and English. (B2 level in english is required) Good analytical, synthesis, innovation and communication skills. Qualities of adaptability and creativity. Teaching skills. Motivation for research activity. Coherent professional project.

Prerequisite (specific skills for this thesis):

Applicants should supply the following :
• a detailed resume
• a copy of the identity card or passport
• a covering letter explaining the applicant's motivation for the position
• detailed exam results
• two references : the name and contact details of at least two people who could be contacted
• to provide an appreciation of the candidate
• Your notes of M1, M2
• level of English equivalent TOEIC
to be sent to recrutement_these@mat.mines-paristech.fr

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CIFRE ANRT

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