1/12/2022
Dans les véhicules à hydrogène, l’hydrogène est stocké dans des réservoirs composites embarqués à une pression de service nominale de 35 MPa (bus) à 70 MPa (voitures). Lorsqu’il est exposé à un incendie, le côté externe de la paroi du réservoir commence à se dégrader, et le réservoir perd progressivement sa capacité de charge.
En raison du transfert de chaleur à travers la paroi du réservoir, la température et la pression à l’intérieur du réservoir commencent à augmenter. Au final, lorsque le front de température de dégradation atteint une certaine épaisseur de la paroi du réservoir où il rencontre l’épaisseur portante de la paroi, un éclatement du réservoir se produit. Cela s’accompagne de conséquences catastrophiques, c’est-à-dire une onde de choc dévastatrice, une boule de feu et des projectiles.
Le règlement européen sur l’homologation des véhicules à hydrogène impose l’installation de TPRD sur les réservoirs d’hydrogène embarqués pour libérer leur contenu en cas d’incendie, évitant ainsi les conséquences catastrophiques d’une rupture de réservoir. Lorsqu’une purge d’hydrogène à travers le TPRD est initiée, la température à l’intérieur du réservoir diminue en raison de l’expansion du gaz. Le transfert de chaleur à travers la paroi du réservoir et la dégradation de la paroi sont affectés par deux processus concurrents : l’augmentation de la température de la paroi due au flux de chaleur provenant du feu, et la diminution de la température de la paroi en raison de la chute de température des gaz à l’intérieur du réservoir. Ainsi, la propagation du front de dégradation des parois ralentit en conditions de purge, contrairement au cas d’une cuve fermée (Fig. 1).
Figure 1. Réservoir dans un incendie: (a) sans purge (b) avec libération via TPRD [1].
La conception intrinsèquement plus sûre d’un système réservoir-TPRD est une tâche difficile avec divers paramètres et processus impliqués, y compris le volume du réservoir, la pression de stockage, le diamètre de libération du TPRD, le temps d’initiation du TPRD, le transfert de chaleur par conduction à travers la paroi, le transfert de chaleur par convection du feu au mur et du mur au gaz à l’intérieur du réservoir, et la dégradation du matériau du mur due au feu.
Un modèle physique a été développé pour la conception intrinsèquement plus sûre d’un système réservoir sous pression-TPRD. Le modèle tient compte du transfert de chaleur par conduction à travers la paroi du réservoir causé par le transfert de chaleur conjugué du côté externe du mur (conditions ambiantes ou feu) et du côté interne du mur du réservoir entre le gaz et le mur. Le transfert de chaleur par conduction à travers la paroi du réservoir est calculé au moyen d’une équation de transfert de chaleur instationnaire unidimensionnelle utilisant la méthode des différences finies. La décomposition du matériau composite de la paroi du réservoir (dégradation de la résine) lorsque la température dépasse la valeur de décomposition est modélisée. Pour calculer le coefficient de transfert de chaleur pour la convection naturelle et forcée, des corrélations du nombre de Nusselt sont appliquées. Le modèle prédit avec précision la dynamique de la pression et de la température à l’intérieur du réservoir pendant la purge et le temps de purge. Il fait également une prédiction précise de la cote de résistance au feu du réservoir, c’est-à-dire le temps d’éclatement du réservoir dans un incendie et le temps de fuite.
Figure 2. Comparaison des calculs du modèle avec les données expérimentales : (a) – dynamique de la pression à l’intérieur du réservoir ; (b) dynamique de la température à l’intérieur du réservoir ; (c) temps d’éclatement du char en feu [1, 2].
Référence:
[1] Dadashzadeh M, Makarov D, Kashkarov S, Molkov V. Non-adiabatic under-expanded jet theory for blowdown and fire resistance rating of hydrogen tank. In: International Conference on Hydrogen Safety (ICHS 2019), 24-26 September, Adelaide, Australia. Paper ID 182; 2019, https://hysafe.info/uploads/papers/2019/182.pdf.
[2] Molkov V, Dadashzadeh M, Kashkarov S, Makarov D. Performance of hydrogen storage tank with TPRD in an engulfing fire. International Journal of Hydrogen Energy 2021, 46: 36581-36597, https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2021.08.128.
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