Données expérimentales pour l’évaluation des RIsques

hydrogène à bord du véhicule, la Validation d’outils

numériques et l’Edition de référentiels------

décembre 2005 – février 2009

Budget : 1,815 M€

Partenaires : INERIS, CEA, IRPHE et PSA Peugeot Citroën

Contact : olivier.gentilhomme@ineris.fr

Contexte

L'étude et la maîtrise des risques des systèmes hydrogène souffrent d'une part d'un manque critique de données expérimentales nécessaires à

l’appréciation et la quantification des évènements de la chaîne accidentelle et d'autre part d'un grand empirisme. Il s'agit là d'un verrou majeur qui motive

une attitude précautionneuse, sans pour autant connaître la marge de sécurité réellement prise, qui contraint techniquement les concepteurs et exploitants

de systèmes hydrogène et pèse par ailleurs sur l'acceptabilité de ce vecteur énergétique.

Fort de ce constat, le projet DRIVE qui rassemble l‘INERIS (EPIC), le CEA (EPIC), l‘IRPHE (EPST) et PSA PEUGEOT CITROËN (Industriel) se donne

comme objectif principal d'identifier les situations de fuite propres à l'usage d'hydrogène dans le secteur du transport automobile et de fournir des éléments

quantitatifs (bibliographie, essais, modélisation) nécessaires à l'évaluation objective des risques et à leur maîtrise. Sur la base de ces données des

référentiels techniques d'aide à la quantification des risques seront établis. La démarche et les données acquises en prenant l’exemple de l’automobile

seront également utiles à d’autres usages grand public de l’hydrogène.

Ce projet DRIVE a été possible grâce au soutien financier de l’Agence Nationale de la Recherche, Plan d’Action National sur l’Hydrogène et les piles à combustibles (Pan-H)

Programme

Le programme de travail porte sur l'ensemble de la chaîne accidentelle à savoir :

Divers

Actes de communication : WHEC16 (Lyon), WHEC17 (Brisbane), SAE2007 (Détroit), 1er séminaire ANR (Grenoble), 2nd séminaire ANR (Tours), Agence Internationale à l’Energie

(San Francisco), International Symposium on Flow Visualisation (Nice), 11ème Congrès Français de Technique Laser (Poitiers), 19ème Congrès Français de Mécanique (Marseille), ICHS

(Ajaccio)…

Suite à DRIVE : les partenaires ont décidé de poursuivre leurs travaux sur l’aspect sécuritaire de l’hydrogène et plus particulièrement sur la mitigation du risque (détection, ventilation,

évent) dans le cadre du projet ANR DIMITRHY. Ils seront accompagnés de deux nouveaux industriels : AIR LIQUIDE et HELION.

« The range and frequencies of occurrence of leakage rates that will occur with H2

vehicles are unknown to us, despite our literature search. In an effort to bracket a

range of possible leakage rates and study sensitivities to this variable, we modelled rates

from 5.9 to 82 L/min” [BARLEY et al., International Conference on Hydrogen Safety, San

Sebastian, 2007].

Face à ce manque de données, le projet DRIVE a distingué 3 types de fuite :

Type de fuite Origine Fréquence

d’occurrence

Débit Calculable?

Par perméation Inhérente aux

propriétés de l’H2

Permanente Faible Oui !

Chronique Usage ou

vieillissement du

véhicule

(maintenance,

sollicitation

répétée…)

? ? A priori, non

Accidentelle Dérive du système

ou rupture d’un

organe

Rare Important Oui !

Seul recours possible :

l’approche

expérimentale !!!

Largeur 1/6 × LongueurTflamme = 1500 °Ct : - 00:00:00:280000 sec t : - 00:00:00:248000 sec

t : - 00:00:00:232000 sec

Détermination du champ de concentration d’un rejet subsonique ou

supersonique d’hélium ou d’air en champ libre ou en milieu encombré à

l’aide de la technique du BOS (= Background Oriented Schlieren)

Exemples de résultats :

Dispersion dans le véhicule et le garage

Evolution de la concentration mesurée sous lecapot-moteur à la fin du rejet en fonction dutype et débit de fuite

Impact d’un obstacle sur une fuite

Plusieurs approches possibles pour estimer le volume inflammable (normative, analytique, CFD) mais besoin de données propres à l’application automobile pour amender ces différents outils.

Visualisation des gradients de densité

pour un jet libre d’air et d’hélium en fonction de

la pression de rejet

En champ libre…

…ou en présence

d’obstacle !!!

Influence du positionnement d’une sphère de diamètre Ds =10mm sur le volume délimité par une iso-concentration de 25%vol/vol généré par un rejet subsonique d’hélium à travers unorifice de diamètre Dj = 1mm

Variation de la concentration volumique en fonction de la position de la sphère parrapport à l’orifice

Simulation DRIVE d’un jet laminaire en milieu

confiné à l’aide du code CAST3M

En industrie, la maîtrise des risques d’explosion d’une ATEX repose

sur:

contrôle de l’ATEX en limitant la fréquence d’apparition (temps,

espace)

contrôle des sources d’inflammation (absence de sources

d’inflammation actives aux endroits où des ATEX peuvent se

former)

contrôle des effets d’une explosion

Par similitude, la maîtrise des risques à bord d’un véhicule

fonctionnant à l’hydrogène peut reposer sur les mêmes

principes.

Estimation du risque d’inflammation directe liée au

fonctionnement de certains composants du véhicule

(électrovanne, capteur de pression, groupe GMV, pompes…)

Dispositif expérimental :

• Composants placés dans 2

atmosphères explosives

différentes : 10 et 29% vol/vol

d’H2 dans l’air

• Durée des tests = 10 min

• Influence d’une inversion de

polarité, d’une surtension,

d’un cyclage en tension

Campagne

expérimentale

visant à simuler le

fonctionnement

d’un fusible

thermique équipant

une bouteille de

stockage

Deux événements peuvent survenir selon le délai d’inflammation :

Campagne expérimentale et numérique visant à quantifier les effets d’une

explosion à l’intérieur du compartiment moteur du véhicule. Essais réalisés sur

maquette transparente et véhicule réel.

• Pression corrélée avec vitesse de

propagation de flamme

• Surpression faible si [H2] < 10%

• Effets mineurs sur véhicule et faibles sur

l’extérieur si [H2] = 15%

• Formation d’une explosion secondaire

t : - 00:00:00:300000 sec

Inflammation

• Garage privatif :

41 m3 (5,76 × 2,96 × 2,40m)

Porte basculante à l’avant

Porte d’accès à l’arrière

• Etanchéité du garage 0,01 ACH

• Tests réalisés avec de l’He

(similitude de comportement avec

l’hydrogène)

• Essais à l’échelle du véhicule (sous

capot, sous caisse…) et du garage

• Essais réalisés sans ventilation

• Instrumentation : catharomètres +

thermocouples