Application de la simulation CFD pour la filière énergétique hydrogène

La filière énergétique hydrogène est actuellement en pleine expansion. Elle contribue significativement à la transition énergétique et au développement de l’utilisation de sources d’énergies renouvelables. L’exploitation de l’hydrogène dans les transports et le stockage localisé d’énergie représente un objectif central pour l’avenir. Présentant un fort potentiel pour réduire les émissions de gaz à effet de serre (GES) et décarboner certains secteurs industriels ainsi que les transports, il est souvent présenté comme « l’énergie de demain ». Une chose est sûre : l’hydrogène est au cœur de la révolution énergétique.

Opportunités et enjeux de la filière énergétique hydrogène

Diverses solutions de production, principalement basées sur l’utilisation d’électrolyseurs, ont été développées au cours des dernières années dans le but de tirer profit de ce vecteur énergétique. Hydrogène vert, gris, bleu, jaune, renouvelable ou encore bas carbone… : de nombreuses appellations sont données à l’hydrogène selon les matières premières et les méthodes de production (énergies renouvelables, énergies nucléaires, énergies fossiles…).

Face à la nécessité de coupler le procédé d’électrolyse à une source d’électricité d’origine renouvelable, son optimisation est nécessaire pour améliorer son rendement et réduire sa consommation électrique, tout en s’assurant de sa facilité d’installation dans le respect des contraintes de sécurité liées à l’utilisation de l’hydrogène.

La simulation CFD mise au service de la filière énergétique hydrogène

CFD-Numerics a établi des partenariats de long terme avec des industriels et leur centre de R&D pour les soutenir dans le développement des procédés. Dans ce cadre, nous avons mis en place différentes approches d’étude afin d’accompagner la production (électrolyse, séparation, …), le transport, le stockage et la sûreté de l’hydrogène via l’analyse numérique et la simulation 3D de cette source d’énergie d’avenir.

Assurer l’optimisation de la production d’hydrogène

Spécialisé en simulation numérique en mécanique des fluides, thermique et combustion, notre bureau d’étude a développé une méthode permettant de simuler l’électrolyse d’un liquide et notamment la génération de bulles à l’anode et à la cathode. Le modèle inclut le calcul du champ électrique et de la densité de courant aux interfaces pour déduire les quantités de gaz générées susceptibles de modifier la répartition de la densité de courant. Ce modèle couplé diphasique/électrique permet, moyennant quelques validations par rapport aux essais, de comprendre les écoulements de gaz dans un liquide et d’améliorer l’efficacité des cellules d’électrolyse.

Nos ingénieurs en mécanique des fluides numérique ont également mis au point plusieurs modèles de simulations numériques plus spécifiques afin d’estimer la coalescence des bulles, les différents régimes d’écoulement, l’entraînement du liquide sous l’effet de l’écoulement ascensionnel des bulles (effet « gas lift ») et de fournir de précieuses informations sur la performance des cellules et les voies d’amélioration possibles.

Figure 1: Modèle de génération de bulles par électrolyse

De même, CFD-Numerics a mis en place et comparé différentes méthodes de simulation pour dimensionner des séparateurs gaz/liquide. Visant à assurer une production optimale de l’hydrogène, en évitant notamment le mélange des gaz hydrogène et oxygène dans l’électrolyte, ces méthodes de simulation permettent de trouver le bon compromis entre temps de séjour de l’électrolyte et évacuation complète des bulles d’hydrogène et d’oxygène.

Figure 2 : Simulation d’un séparateur gaz/liquide avec surface libre et transport des bulles

Sécuriser le transport et le stockage de l’hydrogène

CFD-Numerics dispose du savoir-faire pour simuler les écoulements de fluides de type gaz réels sous les conditions rencontrées dans le cadre du remplissage de réservoirs d’hydrogène gazeux à 700 bars. Cette méthodologie est utilisée pour estimer le profil de température dans les solides composant le réservoir ainsi que les risques de stratification thermique en cours de remplissage.

Figure 3: Simulation du remplissage d’un réservoir d’H2 avec stratification thermique

Garantir la sûreté de l’hydrogène

Compte tenu du caractère hautement inflammable de l’hydrogène, l’utilisation et la manipulation de ce gaz présupposent de réaliser des études de sureté. Pour répondre à ces enjeux et garantir la sureté de l’hydrogène en toute circonstance, CFD-Numerics a développé et validé une méthode de simulation de l’explosion d’hydrogène (détonation et déflagration) en comparaison avec des données expérimentales. Grâce à cette approche, il est possible de visualiser en 3D les efforts de pression pouvant agir sur les structures et ainsi affiner le dimensionnement des systèmes de protection.

Figure 4 : Ondes de pression de détonation d’hydrogène en 3D

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