Agence Nationale de la Recherche Projets de Recherche et d'innovation 2005 Plan d'action National sur l'hydrogène et les piles à combustible PAN-H Programme DRIVE : Données expérimentales pour l évaluation des Risques hydrogène, la Validation d outils numériques et l'edition de référentiels Coordination : GENTILHOMME Olivier Unité Explosion Dispersion Direction des Risques Accidentels INERIS, Parc Technologique ALATA, BP n 2, 60 550 Verneuil en Halatte
Résumé du projet : 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 (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. Le programme de travail porte sur l'ensemble de la chaîne accidentelle à savoir : les fuites chroniques et accidentelles, la constitution de l'atmosphère explosive (dispersion, accumulation d'hydrogène), l'inflammation (étincelle électrique, mécanique surface chaude), la propagation de flamme (incendie, explosion, régime d explosion) et les effets associés. Pour chacun des éléments de la chaîne, le projet traitera également de l'état de l'art des systèmes de maîtrise des risques. Les connaissances acquises seront notamment valorisées par l édition des référentiels suivants : base documentaire sur la phénoménologie et méthodologie de quantification des effets, principes de sécurité des véhicules hydrogène. Ces référentiels seront présentés et discutés lors de séminaires français et européen que le projet se propose d'organiser. 1
Motivations, intérêts scientifiques et techniques du projet : L hydrogène apparaît aujourd hui à la fois comme produit d avenir non seulement dans le monde industriel où il est largement utilisé comme ingrédient (métallurgie, électronique, chimie) mais plus encore ce corps pur suscite un grand intérêt en tant que vecteur d énergie. Cependant, son utilisation dans un contexte plus citoyen et moins industriel, comme les transports ou autres usages domestiques, nécessite une bonne maîtrise des aspects sécurité. A défaut d être capable de démontrer que, sous certaines conditions au moins, l hydrogène est «fréquentable», le développement de ces techniques et de ces marchés ne sera pas possible. Il s agit évidemment pour cela de parvenir à une évaluation pragmatique et comprise par tous du risque d explosion et d incendie et de proposer des solutions de maîtrise du risque acceptables par tous. Aujourd hui, le fait que l hydrogène puisse être, facilement et sans problèmes insurmontables, utilisé en grande quantité dans l industrie d une part et que les gaz combustibles fassent partie du quotidien des citoyens d autre part, suggère que ces objectifs peuvent être atteints. Il s avère que les freins principaux proviennent de frayeurs injustifiées qui se sont développées et entretenues sur la base d un manque de connaissances et de données afférentes à l usage de ce fluide à «petite» échelle notamment. Or ces données sont nécessaires à l évaluation des risques qui tendent trop souvent à être surestimés, sans pour autant connaître la marge de sécurité réellement prise, au détriment du développement de ces systèmes. Ce programme qui rassemble l'expérience industrielle de PSA et les compétences scientifiques et techniques du CEA, de l'irphe et de l'ineris participe à la production de données expérimentales nécessaires à la constitution de référentiels d'aide à la quantification des risques et à la conception et l'exploitation sûre de systèmes hydrogène. Le programme bibliographique, expérimental et numérique portera sur l'ensemble des phénomènes de la chaîne accidentelle à savoir les fuites chroniques et accidentelles, la formation de l'atmosphère explosive, son inflammation et enfin la combustion de l'hydrogène. Ce programme dédié à la quantification des risques s'appuie sur l'exemple des applications transport. Néanmoins, les connaissances produites seront, dans une grande partie, transposables aux autres applications grand public de l'hydrogène. Objectifs et finalités du projet, description des travaux : L objectif principal du projet DRIVE est de produire des données expérimentales nécessaires à l évaluation des risques de systèmes qui mettent en œuvre de l hydrogène et à leur modélisation. Par ailleurs, des référentiels (méthodologie pour la quantification des phénomènes accidentels, conception véhicule) seront proposés. Ces référentiels aideront les concepteurs et les évaluateurs des risques à garantir un niveau de sécurité en adéquation avec un usage grand public. Les travaux se répartissent suivant quatre lots principaux : Dispersion d'hydrogène, Combustion d'hydrogène, Système automobile, et enfin Synthèse et Communication des travaux. 2
Les deux premiers lots portent sur les phénomènes impliqués chronologiquement dans une situation accidentelle à savoir : Fuite chronique et accidentelle Accumulation d'hydrogène / formation d'une atmosphère explosive Inflammation Flamme entretenue Explosion Pour chacun de ces phénomènes, le projet réalisera : a- la synthèse des connaissances actuelles, b- des essais en vue d'apporter des éléments quantitatifs objectifs, c- des simulations numériques en vue d'évaluer la performance d'outils numériques dans la prédiction des effets de scénarios accidentels, d- une formalisation des connaissances, e- l'état de l'art des techniques de mitigation. Les limites de ces travaux seront définies à l'aide du troisième lot propre au système véhicule. Les sous-systèmes et le système seront décrits. Les dérives possibles seront identifiées. Des règles de conception et des stratégies de sécurité seront déduites des données obtenues dans les lots 1 et 2. Enfin le lot 4 se propose de faire la synthèse des enseignements phénoménologiques et de les publier sous forme de référentiel. Des recommandations seront par ailleurs formulées eu égard aux stratégies de sécurité à adopter. L'ensemble de ces résultats sera présenté et discuté dans le cadre de séminaires français et européens que ce projet se propose d'organiser. Retombées scientifiques et techniques attendues : Les retombées scientifiques attendues sont la production de données expérimentales et de connaissances qui aujourd hui font défaut dans la littérature pour l'évaluation des risques des applications grand public (transport ) de l'hydrogène vecteur d'énergie. Elles adressent le «verrou relatif à l absence de données objectives sur les risques d explosion en milieu ouvert partiellement confiné». De manière directe, elles vont permettre de renforcer la qualité des études de sécurité ainsi que le dimensionnement des barrières de sécurité en vue de répondre au haut niveau d exigence de sécurité attendu par l usage démocratisé de l hydrogène. Se faisant, ces données sont de nature à favoriser l introduction des nouvelles technologies de l hydrogène. Ces données seront produites en coordination avec les partenaires européens du réseau HySafe au sein duquel l INERIS et le CEA jouent un rôle majoritaire. Les réflexions seront également partagées avec le groupe «Regulation, Codes and Standards» de la plate-forme technologique (HFCTP) auquel l INERIS et le CEA participent. Les moyens développés pour la réalisation de ces essais viendront compléter les moyens expérimentaux disponibles pour l évaluation future des risques des systèmes hydrogène. Par ailleurs, l'utilisation d'outils de calcul pour la simulation de situations accidentelles mettant en œuvre de l hydrogène constitue une retombée significative pour l évaluation future des risques des nouvelles technologies de l hydrogène. 3
De plus, l étude comparative du comportement en dispersion de l hélium et de l hydrogène doit permettre de valider le recours, pour des raisons de sécurité, à ce gaz pour simuler le comportement en dispersion de l hydrogène. Enfin, le projet réalisera une étude prospective des besoins futurs nécessaires à l'accompagnement du développement de ces nouvelles applications de l'hydrogène (moyens d'essais, gestion des connaissances et du retour d'expérience). Retombées industrielles et économiques attendues : La méconnaissance actuelle des risques liés à l utilisation de l hydrogène dans des applications automobile ou stationnaire, contraint les développeurs à dimensionner leurs systèmes hydrogène de manière à s'affranchir de la formation de mélanges air / hydrogène potentiellement dangereux. Pour autant, tout système hydrogène est accompagné de fuites pouvant générer une atmosphère explosive. Aujourd hui, les référentiels utilisés par les concepteurs interdisent tout mélange explosif. Pour éviter ces mélanges potentiellement explosifs malgré les fuites nominales ou accidentelles, ils mettent en place des stratégies lourdes et coûteuses, ajoutent des organes de surveillance eux-mêmes sources de risques. Une meilleure connaissance des risques liés à l utilisation de l hydrogène dans un contexte d applications grand public, devrait redonner de la souplesse dans la définition des systèmes hydrogène aussi variés qu un système de stockage d hydrogène, un module de puissance pile à combustible ou bien encore un véhicule hydrogène lui-même. La prise en compte de ces données en amont de la conception des véhicules et des systèmes hydrogène devrait permettre de simplifier significativement ces systèmes hydrogène et de dimensionner au mieux les organes de sécurité. Une forte réduction des coûts et une meilleure robustesse des systèmes sont attendus. En outre, cela permettra aux développeurs de se concentrer sur les situations présentant un risque réel pour l utilisateur ou le système au lieu disperser leurs énergies. Verrous scientifiques et techniques qui seront levés : Aujourd hui, il n existe pas de référentiel technique ou réglementaire qui soutient et encadre l évaluateur et le décideur pour distinguer les situations de dérives acceptables au titre des conséquences de celles qui ne le sont pas. Ce programme adresse plus particulièrement ce verrou technique du fait de la production de données nécessaires à une meilleure évaluation des risques. Ces données, spécifiques à l'application automobile, apporteront notamment des éclairages sur les volumes explosifs raisonnablement prévisibles, leur possibilité d'inflammation, et surtout sur le régime et les effets de leur explosion (ou de leur combustion sous la forme d'un jet enflammé) sur le véhicule, ses occupants et son environnement. Ces données objectives doivent permettre d'adopter une évaluation plus objective des risques liés à l'usage d'hydrogène jusqu'alors dominée par l'empirisme. 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. 4