Estimation des gradients de température pendant le remplissage d’un réservoir d’hydrogène gazeux
Résumé :
L’hydrogène peut générer l’électricité nécessaire à la propulsion des véhicules à pile à combustible. Pour réunir dans 125 L la quantité d’hydrogène nécessaire pour parcourir 500 km pour un véhicule léger (voiture), soit 5 kg, il doit être comprimé à 700 bar. Pour un remplissage de 3 à 5 min, la compression rapide de l’hydrogène de 20 bar à 700 bar produit une élévation de la température dans le réservoir. Selon les recommandations de sécurité, la température ne doit pas excéder 85°C pour un réservoir en matériau composite. Pour contrer l’élévation de la température moyenne du gaz dans le réservoir, l’hydrogène injecté est alors pré-refroidi jusqu’à -40°C selon la température ambiante et la pression initiale du réservoir, ce qui constitue une dépense énergétique.
Sous l’hypothèse d’une température homogène du gaz dans le réservoir, des modèles 0 dimension (0D) ont été développés pour prédire la température moyenne du fluide. Selon la température du gaz injecté et le débit massique d’injection, une température finale de remplissage peut être estimée. Un travail d’optimisation est alors possible pour limiter les coûts énergétiques d’un remplissage tout en maintenant la température finale sous les 85°C.
Cependant, des résultats expérimentaux montrent qu’une stratification thermique peut apparaître pour les réservoirs horizontaux sous certaines conditions avec des températures dépassant localement 85°C alors que la température moyenne est largement inférieure. Cette hétérogénéité remet en question la pertinence des modèles 0D et l’optimisation du remplissage qu’ils permettent.
Le lien entre la stratification thermique et le scénario de remplissage a été établi mais les mécanismes sous-jacents restent à éclaircir. C’est l’objet de cette thèse, qui vise à explorer les couplages entre dynamique des fluides et thermique pendant les remplissages de réservoir d’hydrogène par des méthodes numériques.
Dans un premier temps, un modèle numérique simulant les écoulements tridimensionnels de l’hydrogène et la conduction thermique dans les parois du réservoir est développé via le logiciel OpenFOAM. Les capacités prédictives de ce modèle sont évaluées par comparaison avec des résultats expérimentaux et numériques antérieurs, pour des scénarios de remplissage caractérisés par des comportements thermiques contrastés: homogène et hétérogène. Il apparaît que les cas peu stratifiés sont rigoureusement prédits mais que les gradients thermiques sont sous-estimés dans les cas hétérogènes, en accord avec les résultats des simulations numériques antérieures.
Dans un deuxième temps, afin d’améliorer la prédiction des gradients thermiques, l’influence du modèle de turbulence sur la diffusivité thermique est analysée et l’approche retenue conduit à sélectionner un modèle de turbulence avancé produisant des résultats plus fidèles aux résultats expérimentaux.
Enfin, dans un troisième temps, l’étude se focalise sur la phénoménologie de la stratification thermique et l’amélioration des modèles 0D pour un réservoir horizontal. Comme le montrent les simulations tridimensionnelles, la stratification résulte de la déflexion de l’hydrogène froid injecté dans un réservoir de plus en plus chaud. Une modélisation de cette déflexion est proposée via un modèle de jet pesant pour une injection axiale. Elle est ensuite reliée aux gradients thermiques puis implantée dans un modèle 0D, afin d’enrichir les capacités prédictives de cette approche.
