Capteurs intelligents : les anges gardiens des réservoirs à hydrogène

L’hydrogène suscite beaucoup d’espoir pour la transition réussie des secteurs de l’énergie et de la mobilité. Cependant, ce gaz est également hautement explosif, et des précautions de sécurité strictes sont nécessaires pour l’utiliser en toute sécurité.

Les derniers véhicules à pile à combustible transportent l’hydrogène sous forme gazeuse dans des réservoirs pressurisés. Ces éléments centraux du système de propulsion H2 doivent rester sûrs même sous des charges maximales. Pour éviter des situations dangereuses, une maintenance régulière des systèmes de stockage haute pression est obligatoire.

Cependant, l’inspection des réservoirs actuellement requise tous les deux ans consiste simplement en une inspection visuelle externe. Les dommages à l’intérieur du réservoir ne peuvent pas être détectés avec cette méthode d’inspection conventionnelle.

Un système de surveillance structurelle embarqué pour détecter les dommages

Dans le cadre du projet de recherche conjoint HyMon, des chercheurs de l’Institut Fraunhofer pour la durabilité structurelle et la fiabilité des systèmes LBF travaillent avec des partenaires pour développer un système de surveillance structurelle embarqué à base de capteurs qui permettra une surveillance continue des réservoirs de pression H2, garantissant ainsi un haut niveau de sécurité pour les véhicules à hydrogène.

L’hydrogène est actuellement stocké sous forme gazeuse à haute pression pouvant atteindre 700 bar dans des réservoirs en composites renforcés de fibres (FRC). Par rapport aux réservoirs métalliques, ceux-ci sont idéaux pour une utilisation dans le secteur de la mobilité et des transports en raison de leur faible masse. Pour des raisons de sécurité, les réservoirs de pression H2 sont soumis à des tests approfondis avant leur première utilisation afin de garantir un fonctionnement sûr tout au long de leur durée de vie.

Il faut également s’assurer que le réservoir conservera son intégrité face aux contraintes récurrentes causées par le remplissage et le retrait d’hydrogène ou en cas de dommages (par exemple, collision arrière).

Les inspections visuelles actuellement spécifiées pour vérifier les dommages externes du réservoir ne peuvent pas le faire. En alternative, les dommages peuvent être détectés en surveillant en continu le réservoir sous pression – un processus connu sous le nom de surveillance de l’état structurel ou SHM en abrégé. Dans le cadre du projet HyMon, les chercheurs du Fraunhofer LBF à Darmstadt développent un système intelligent dédié à la surveillance continue de l’état des réservoirs à hydrogène, en étroite collaboration avec des partenaires.

Des capteurs acoustiques et de déformation pour détecter les dommages dans le réservoir

Les travaux de recherche se concentrent sur les capteurs d’émission acoustique. Si une seule fibre de carbone se déchire dans le réservoir sous pression, une onde sonore est générée qui se propage à travers les fibres. Les capteurs détectent cette onde sonore haute fréquence, ce qui leur permet de déterminer le nombre de fibres cassées.

« Des cas de charge spéciaux, tels que des collisions arrière, peuvent endommager des zones locales des réservoirs, provoquant la rupture d’un grand nombre de fibres en très peu de temps« , explique Johannes Käsgen, chercheur au Fraunhofer LBF. « Les signaux de mesure sont traités par l’électronique d’évaluation pour fournir des informations sur l’état de santé du réservoir. »

Les algorithmes et méthodes requis pour détecter les ruptures de fibres sont développés au Fraunhofer LBF. Ceux-ci incluent, par exemple, des analyses de fréquence d’ondes sonores. « Les capteurs sur le réservoir captent les ondes sonores haute fréquence lorsqu’une fibre se casse, et les algorithmes détectent les fibres cassées, qui sont ensuite comptées. Si le taux de rupture des fibres augmente soudainement, cela indique que le réservoir à hydrogène est en fin de vie utile« , résume le chercheur.

En plus des capteurs d’émission acoustique, des capteurs de déformation à fibres optiques sont également intégrés dans les réservoirs. Ceux-ci sont constitués de fibres de verre conductrices de lumière dans lesquelles sont intégrés des capteurs à réseau de Bragg.

Les fibres de verre sont enveloppées dans la couche FRC du réservoir pendant la fabrication ou appliquées sur la surface par la suite pour permettre une surveillance continue ou périodique automatisée des déformations du réservoir à hydrogène. Contrairement aux capteurs de déformation conventionnels, ces fibres de verre conviennent particulièrement bien à la surveillance des plastiques renforcés de fibres de carbone en raison de leur résilience aux déformations élevées du matériau et aux cycles de charge.

Les données de mesure des capteurs de déformation sont utilisées premièrement pour vérifier les modèles de calcul des réservoirs sous pression et deuxièmement pour comprendre comment le comportement du matériau change tout au long de la durée de vie du réservoir afin de tirer des conclusions sur l’état de fatigue du matériau.

Système complet testé dans le véhicule d’essai

La première étape du processus de test consiste à produire divers types de dommages tels que des ruptures de fibres, des ruptures de matrice ou des délaminations dans le banc d’essai au Fraunhofer LBF à l’aide d’échantillons plats équipés de capteurs. Les signaux de dommage sont enregistrés avec les capteurs. Ensuite, on évalue si les capteurs sont capables d’enregistrer les signaux avec une qualité suffisante et si les algorithmes peuvent classer correctement les mécanismes d’endommagement sur la base des signaux.

Dans l’étape suivante, l’ensemble du système de capteurs est testé sur des modèles de réservoirs à parois minces, puis sur des réservoirs à hydrogène haute pression, qui sont soumis à des contraintes cycliques sous pression interne jusqu’à la défaillance.

Les équipes de recherche étudient combien de capteurs sont nécessaires pour la surveillance structurelle, où ils doivent être positionnés et quels adhésifs conviennent le mieux pour les fixer au réservoir à hydrogène. Enfin, un véhicule d’essai est équipé de capteurs et d’une surveillance structurelle embarquée et validé en combinant un crash virtuel avec un dispositif d’essai en conditions réelles. L’objectif des partenaires du projet est de développer le système complet en un système de surveillance d’état standard pour l’avenir.

En synthèse

L’hydrogène est un gaz hautement explosif qui nécessite des précautions de sécurité strictes pour une utilisation sûre dans les véhicules à pile à combustible. Le projet de recherche HyMon vise à développer un système de surveillance structurelle embarqué utilisant des capteurs acoustiques et optiques pour détecter en continu d’éventuels dommages dans les réservoirs sous pression en matériaux composites.

Ce système permettra d’assurer un haut niveau de sécurité tout au long de la durée de vie du réservoir et d’éviter des inspections coûteuses. Le système complet est en cours de test sur des véhicules prototypes.

Pour une meilleure compréhension

Pourquoi l’hydrogène nécessite-t-il des précautions particulières ?

L’hydrogène est un gaz hautement inflammable stocké dans les véhicules sous très haute pression. Le moindre dommage au réservoir peut entraîner une fuite et un risque d’explosion.

Comment le système développé détecte-t-il les dommages ?

Il utilise des capteurs acoustiques et optiques capables de détecter les ruptures de fibres dans les parois du réservoir en matériau composite et d’analyser ces signaux.

Quels sont les avantages de ce système ?

Il permet une surveillance en continu, détecte les dommages non visibles de l’extérieur, évalue la durée de vie restante et évite les inspections coûteuses.

Où en est le développement du système ?

Il est en cours de test sur des prototypes de véhicules et les partenaires visent à en faire un système standard à l’avenir.

Quels capteurs sont utilisés ?

Des capteurs acoustiques et des capteurs de déformation à fibres optiques intégrés dans les parois du réservoir.

Comment sont testés les réservoirs équipés ?

Ils sont soumis à des tests de fatigue avec pressurisation cyclique jusqu’à la défaillance pour valider le système.

Légende illustration principale : Le réservoir sous pression HyMon est endommagé avant son utilisation au Fraunhofer LBF. Les capteurs d’émission acoustique détectent les dommages subis par le réservoir et fournissent des données pour les modèles de calcul.- Crédit : Fraunhofer LBF