Essais & Simulations 154

DOSSIER
LE CONTEXTE, L’HYDROGÈNE EST-IL UN GAZ À PART ?
Les méthodes de liquéfaction sont bien maitrisées par les
acteurs du domaine (ArianeGroup Espace, Air Liquide, …),
pour la plupart des gaz. La principale différence réside dans
son caractère explosif bien supérieur à celui du méthane.
En cryogénie, il existe quatre fluides fréquemment produit
et transporté : L’azote, l’oxygène, l’hélium et le gaz naturel
(méthane). Pour l’azote, la chaine d’approvisionnement ne
pose pas de problème majeur ; celui-ci est peu dangereux
et représente un faible coût de production. Il est fréquemment
utilisé dans de nombreux domaines (alimentaire,
médical, industrie, établissement scientifique…).
L’oxygène pose davantage de problèmes de sécurité mais
tout comme l’azote, sa température de liquéfaction est assez
élevée (autour de -200°C). Son usage, très important dans
le secteur médical et l’industrie, font que les briques technologiques
sont maitrisées.
L’hélium pose en revanche plus de problèmes. La vaporisation
intempestive notamment pour les applications
supra-conductrices représente le risque majeur. Il est utilisé
couramment pour refroidir les aimant supraconducteurs
utilisés par exemple dans les IRM (rarement transporté).
Un litre d'hélium liquide produit environ 700 litres d'hélium
gazeux dans une rupture de la supra-conductivité
(phénomène appelé quench). Ce risque est présent uniquement
sur des installation fixes. La question du poids des
éléments de sécurité n’est pas posée comme dans le secteur
de l’aviation.
: ce sont la conductivité thermique la capacité thermique
(on la diffusivité) et la dilatation thermique. D’autre part, la
conductivité thermique : les ingénieurs travaillant dans le
domaine de la cryogénie utilisent deux grandeurs concernant
la conductivité thermique :
La valeur de la conductivité en fonction de la
température k(T)
L’intégrale de la conductivité en fonction de la
température :
La valeur en fonction de la température peut se mesurer
par des méthodes stationnaires. Nous présentons une
méthode que nous utilisons à Themacs Ingénierie pour
des échantillons métalliques.
PRINCIPE DE LA MESURE DE LA CONDUCTIVITÉ EN
RÉGIME STATIONNAIRE
Le dispositif alimente en tension une résistance chauffante.
On effectue les mesures pour différentes puissances pour
obtenir plusieurs points permettant une régression linéaire
qui nous amènera à déterminer la conductivité du barreau
étudié. L’expression de la conductivité thermique k est la
suivante :
Où L est la longueur du barreau, S sa surface (section
du barreau), P la puissance relevée et ΔT la différence de
température aux extrémités du barreau.
Quant au GNL (Gaz Naturel Liquéfié), la température de
liquéfaction est de -163°C. La question du transport dans
les méthaniers est résolue par le bon ratio volume/surface
et par des unités de liquéfaction présentes sur ces bâtiments.
Enfin, l’hydrogène liquide représente un nouveau défi pour
les ingénieurs. Il est inflammable et bien plus explosif que
les hydrocarbures comme le GNL ; il faut descendre beaucoup
plus bas pour le liquéfier, sa chaleur latente de vaporisation
est de 454kJ/kg, similaire au GNL ( 510kJ/kg). En
revanche, sa densité est faible une fois liquéfiée. Pour stocker
la même énergie qu’avec du kérosène, on a besoin d’un
volume beaucoup plus important. Il ne semble pas possible
aujourd’hui d’envisager d’avoir une unité de liquéfaction
de l’hydrogène embarqué sur l’avion (pour des raisons de
poids principalement).
INTÉGRATION DE LA CONDUCTIVITÉ THERMIQUE
ENTRE DEUX TEMPÉRATURES
On peut démontrer que le transfert thermique entre deux
points respectivement à T1 et T2 séparés par un matériau
de longueur L et de section S (cas typique d’un fil
de connexion, d’une tige filetée de maintien, …) dont la
conductivité en fonction de la température est k(T) est :
Pour toutes ces raisons, il est essentiel de caractériser les
matériaux utilisés. D’une part, les propriétés thermiques
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