Le 8 Juillet 2020, l’union Européenne a appelé de ses vœux la création d’une économie de l’hydrogène. À l’heure d’une nouvelle crise énergétique et environnementale, les promesses de l’hydrogène sont en effet nombreuses : énergie propre et renouvelable, décarbonisation de secteurs entiers, émergence de nouvelles mobilités moins polluées et autonomie énergétique. Ces promesses doivent être supportées par les technologies ad-hoc. La pile à combustible : technologie ancienne ? Pour transformer ces promesses en réalité, il y a cependant de nombreux verrous industriels à lever. La fabrication et l’utilisation de l’hydrogène ne date toutefois pas d’hier, l’élément est découvert (formellement) au XVIIème siècle et la pile à combustible (PàC) permettant de transformer l’hydrogène en électricité est inventée en 1838 par Francis Bacon. Pourtant, si le principe de fonctionnement est resté le même, les technologies d’hier et d’aujourd’hui sont bien différentes et de nombreux industriels cherchent encore à l’améliorer pour réaliser les promesses de l’hydrogène susmentionnées. La diminution de la quantité de platine dans une PàC (il y a actuellement une quantité similaire de platine dans une PàC pour automobile et dans un pot d’échappement, et la tendance est toujours à la diminution) est une des réussites permettant à la fois de réduire l’utilisation d’un élément rare et de réduire le coût de la PàC. Les autres point cruciaux pour les industriels sur les PàC sont la densité de puissance (autour de 3 kW/kg[2]), qu’il convient d’augmenter le plus possible pour des applications embarquées (aéronautique par exemple), ainsi que la durée de vie pour atteindre des utilisations de plus 10 000h – 20 000h. Le stockage au cœur des verrous technologiques L’autre élément crucial dans le développement de l’économie de stockage est le réservoir. Qu’il stocke de l’hydrogène à haute pression ou basse température (ou les deux à la fois), de nombreux verrous technologiques et économiques existent. Les réservoirs haute pression réalisés en composite sont actuellement très coûteux (environ 5 000€ par kg H2 stocké. Cf. S. Eaves et J. Eaves, « A cost comparison of fuel-cell and battery electric vehicles », Journal of Power Sources, vol. 130, no 1‑2, p. 208‑212). Augmenter leur indice gravimétrique (masse d’hydrogène stocké sur masse totale) tout en abaissant leur coût est le principal obstacle. À terme, un coût de l’ordre de 400€ par kg H2 stocké pour de la grande série permettrait d’être compétitif dans le développement de nouvelles mobilités[2]. Pour les mobilités plus lourdes, l’annonce par Airbus du développement d’avions à hydrogène ZEROe souffle un vent nouveau sur le stockage de l’hydrogène sous forme liquide. Les réservoirs à hydrogène liquide peuvent emporter plus d’hydrogène que leur contrepartie gazeuse, tout en s’affranchissant des contraintes mécaniques élevées pour supporter les fortes pressions des réservoirs gazeux. La conséquence est une contrainte supplémentaire avec la température cryogénique (-250°C) de l’hydrogène liquide et ses effets sur la fragilisation des matériaux. Il est nécessaire de repenser et de concevoir des équipements à même de supporter ces températures. Cela passe par des nouvelles molécules pour l’élaboration de résines, de nouveaux ensimages et fibres pour des matériaux composites, de nouveaux revêtements, de nouveaux alliages, de nouvelles conceptions d’éléments existants (valves, tuyaux, etc.) avec des durées de vie importantes. L’industrie spatiale possède une expérience dans le domaine des basses températures qu’il est important de mettre à profit pour des applications aéronautiques ou d’autres applications embarquées, même si les ordres de grandeur de durée de vie sont bien différents entre l’aérospatial et l’aéronautique. Une infrastructure de production à mettre en place L’hydrogène étant un vecteur d’énergie et non pas une source d’énergie, il est nécessaire de le produire d’une manière ou d’une autre. Actuellement la quasi-totalité de l’hydrogène produit dans le monde l’est à partir de vaporeformage du méthane, c’est-à-dire du gaz naturel : un procédé émetteur de CO2 appliqué à une ressource non renouvelable. Obtenir de l’hydrogène renouvelable implique de disposer d’une ressource d’énergie renouvelable comme le soleil (cellules photovoltaïques) ou le vent (éoliennes) et d’utiliser l’électricité en sortie pour réaliser l’électrolyse de l’eau, pour produire de l’hydrogène et de l’oxygène. Le rendement de ces électrolyseurs est relativement bon (autour de 80%. Cf. M. Magnus Thomassen in « Novel materials and system designs for low cost, efficient and durable PEM electrolysers », p. 25), mais possède encore une marge de progression. Pour soutenir cette économie, l’Europe souhaite développer jusqu’à 40 GW de ces électrolyseurs d’ici 2050, ce qui implique de développer la même quantité de puissance installée d’énergie renouvelable. Les défis les plus conséquents importants à relever pour la création de cette économie hydrogène sont de l’ordre de l’infrastructure de la production d’énergie renouvelable. L’Allemagne possède une installation conséquente, plus de 60 GW de puissance installée pour l’éolien et plus de 50 GW de photovoltaïque (vieillissant), soit presque le double de notre puissance installée nucléaire. La France, elle, possède actuellement environ 27 GW d’éolien et de photovoltaïque combinés (Cf. Emissions CO₂ de la consommation électrique en temps réel). L’économie hydrogène imposera donc de développer ces ressources énergétiques dont les coûts risquent d’augmenter avec la raréfaction des ressources énergétiques non renouvelables (il faut du pétrole et du gaz pour fabriquer et importer des panneaux photovoltaïques et des éoliennes). Une solution pourrait être le développement de nouvelles technologies de cellules photovoltaïques, ou le développement de la 4ème génération de centrale nucléaire et de la génération d’hydrogène par électrolyse à haute température, qui possède un bon rendement. Actuellement, que ce soit le développement de nouvelles technologies pour la production d’énergie renouvelable ou bien le déploiement de solutions existantes, les verrous technologiques sont portés par une grande partie du tissu industriel français, mais aussi par ses politiques. Un réseau à développer L’implémentation de l’hydrogène au niveau du territoire soulève d’autres obstacles technologiques pour les industriels. Certaines applications utilisant l’hydrogène sont portées par des acteurs locaux avec des ressources énergétiques locales (présence d’une ferme éolienne ou solaire). Dans ce cas de figure, l’hydrogène gazeux se prête bien à ces applications, car la compression de l’hydrogène reste peu énergivore. Image: Michael Ismar, NPROXX – Transport d’hydrogène par voie ferrée, Allemagne Malgré tout, pour les régions moins bien loties au niveau de l’ensoleillement et moins ventées, le développement du transport de l’hydrogène reste à mettre en place, que ce soit par pipeline ou par un équivalent du camion-citerne. L’infrastructure existante de transport du gaz naturel pourrait être mise à profit pour le transport de l’hydrogène même si des efforts seront à réaliser sur le renforcement de ce réseau (fragilisation des aciers entre autres). Outre le transport, le développement de l’hydrogène ira de pair avec la création d’un maillage de stations-services sur le territoire. Cela nécessite l’adaptation de normes précises (déjà existantes en partie) et d’équipements adéquats. Concernant l’hydrogène liquide, la liquéfaction est un processus énergétiquement coûteux dont l’efficacité diminue avec la petitesse de l’unité de liquéfaction (Cf. H. Leridon, « Chaire Développement durable – environnement, énergie et société: Année académique 2008-2009 », lettre-cdf, no 25, p. 9). Il faut donc imaginer de grandes stations de liquéfaction pour obtenir un rendement énergétique intéressant. Au-delà des acteurs locaux (station de remplissage), il reste à imaginer une semi–centralisation des moyens de liquéfaction autour de grands hubs industriels ou aéroportuaires. Des projets régionaux existent, notamment dans les pays nordiques, sur
Comment accompagner au mieux les opérateurs de transport ferroviaire pour répondre aux évolutions du secteur ?
Le secteur ferroviaire est un secteur d’avenir à l’extraordinaire potentiel de croissance, comme cet article vous le présente. Un secteur marqué par l’innovation permanente et l’apparition de nouvelles normes L’ouverture du marché, l’arrivée des trains autonomes et du recours à l’hydrogène… Les perspectives futures sont nombreuses et viennent répondre aux enjeux de déplacement et d’interopérabilité des individus. De nouvelles normes émergent en parallèle : elles portent sur la sécurité, la cyber–sécurité, la pollution (normes environnementales) … Ces normes viennent se greffer aux évolutions du secteur. Si l’on prend le cas des capteurs dans les trains, par exemple, qui viennent dialoguer en temps réel avec des opérateurs, la transmission d’informations implique d’optimiser la sécurité et le taux de disponibilité du dispositif. De manière plus large, disposer de systèmes qui fonctionnent 24h/24, 7j/7 et tout au long de l’année demande à affiner la prédiction des maintenances, à les rendre les plus courtes possibles et surtout à réduire au maximum le nombre de pannes qui peuvent survenir. Dans ce contexte, il existe aujourd’hui de nombreux sujets qui nécessitent à la fois des développements, mais aussi des études et réalisations d’ensembles mécaniques, électriques et électroniques pour assurer ces évolutions de la technologie à bord des trains et le long des lignes que ces derniers empruntent. Un autre aspect est à prendre en compte : celui de l’internationalisation des échanges ferroviaires. Des opérateurs étrangers seront amenés à circuler sur les voies ferrées françaises, ce qui pousse à maîtriser et standardiser un certain nombre de normes et d’attentes liées aux technologies et outils pour faire naître un environnement technique marqué par la compatibilité des systèmes. Répondre aux défis d’un accompagnement à plusieurs échelles Avec ces éléments en tête, comment accompagner les opérateurs de transport, notamment la RATP ou la SNCF, dans le développement et la réalisation de moyens de tests des nouveaux systèmes ferroviaires liés aux nouvelles normes et au nouveau matériel ? Conception de l’architecture des systèmes globaux, réalisation puis validation des systèmes… Ces questions sont d’autant plus complexes à gérer lorsque les volumes traités sont faibles, voire très faibles. Pour de nombreux projets justement, le développement de petites séries et de prototypes est nécessaire (en prenant en compte ces contraintes normatives, sécuritaires, économiques ou encore environnementales que nous venons de présenter). En effet, il est fréquent de faire face à de très faibles volumes, voire des productions unitaires à court terme, à l’exemple d’un banc de test pour éprouver un système. Or de nombreux acteurs industriels ne peuvent ou ne souhaitent pas traiter ces petits volumes, ce qui peut contraindre à des embauches coûteuses et à court terme pour pouvoir réaliser ce type de produits. Comment Ametra répond sur-mesure aux attentes des opérateurs ferroviaires Ametra a cette capacité à accompagner les fournisseurs, industriels, constructeurs et équipementiers dans l’ensemble de ces enjeux techniques, et d’être une véritable interface entre ces opérateurs. De par sa structuration aujourd’hui, le groupe dispose d’une organisation métier qui allie une partie ingénierie et une partie intégration. Ametra Group possède ainsi les compétences pour pouvoir développer des systèmes plus ou moins complexes sur la partie mécanique, électrique et électronique, en prenant en compte tous les systèmes de communication qui peuvent être mis en place (Wifi, radiofréquence, hyperfréquence et tout ce qui permet aux systèmes de “dialoguer” en sécurité). Cela permet de garantir la qualité des technologies, le respect des délais et un haut niveau de savoir-faire, tout en intégrant les règles sécuritaires nécessaires dans le domaine du secteur ferroviaire. Travail sur une baie de contrôle d’accès ferroviaire © Ametra Group Au-delà des ensembles et systèmes complexes, Ametra réalise aussi des moyens de tests de ces ensembles, développe des bancs pour tester les systèmes comme s’ils étaient dans un train. Et grâce à nos propres usines d’intégration, le produit final peut être assemblé et intégré en interne, sur un mode “build to spec” de la spécification au lancement du produit. L’intégralité du cycle de conception et de fabrication est donc maîtrisée. Cette organisation permet de partir du besoin pour produire tout un système qui réponde aux spécifications du client, ce qui comprend la partie études, mais aussi la partie fabrication du prototype, validation… À cela s’ajoute la dimension internationale d’Ametra Group, avec des implantations en Tunisie et en Inde, qui permettent de proposer des solutions optimisées au niveau des coûts. Vous souhaitez en savoir plus sur le groupe et ses expertises ? Consultez dès maintenant notre site officiel.
Injection Plastique : prise en compte des contraintes de réalisation dès la conception
Procédé breveté en 1872 et démocratisé à la fin des années 40, l’injection plastique est aujourd’hui une technologie très commune pour la réalisation de pièces. Elle permet en effet d’obtenir à moindre coût des pièces d’une grande variété technique et esthétique. Il est toutefois important de souligner que le rendu final des pièces obtenues dépend beaucoup de la manière dont elles ont été conçues au regard des contraintes d’obtention. En effet, la conception de telles pièces nécessite une connaissance parfaite du moyen de réalisation, à savoir le moule d’injection plastique, de son fonctionnement et des critères spécifiques qui influent sur la qualité de la pièce. Cela explique pourquoi la prise en compte de ces critères en amont de la conception est fondamentale. Dans cette perspective, il est souvent judicieux d’associer le mouliste (la société en charge de la réalisation du moule d’injection) au cycle de développement, et ce dès le démarrage de la réflexion, afin qu’il puisse donner son avis et ses orientations “méthodes” à la conception de la pièce. Les principes fondamentaux de l’injection plastique 3 règles essentielles sont à respecter : Concevoir une pièce à épaisseur constante pour limiter sa déformation et ses contraintes internes lors du refroidissement post-injection (la matière plastique doit être à une température qui lui permette de rester visqueuse pour l’injection) ; Définir un plan de joint pour déterminer le sens de démoulage de la pièce; Définir des dépouilles pour assurer une bonne éjection de la pièce en sortie de moule. La dépouille désigne l’angle que l’on donne à une surface de façon à ce qu’elle soit démoulable. À l’inverse, générer de la contre-dépouille consiste à concevoir une forme qui va à l’encontre du démoulage pour des raisons techniques, par exemple la réalisation de fonctions techniques spécifiques comme des clips. Contraintes de moulage et fonctions Les contraintes de moulage peuvent influencer 2 catégories de fonctions : Les fonctions techniques Comme l’injection plastique est un moyen d’obtention qui, par définition, permet de concevoir des pièces fines (coques) et démoulables, toutes les pièces ne sont pas réalisables par ce biais. Cela implique donc la présence de dépouilles pour permettre le démoulage et l’absence de contre-dépouilles empêchant le démoulage. La réalisation de contre-dépouilles est parfois possible, mais elle nécessite d’apporter des fonctions supplémentaires au moule, ce qui augmente le coût de l’outillage. Dans ce contexte, la définition de certaines fonctions techniques doit être réalisée en corrélation avec le moyen d’obtention… et la validation du mouliste. Il est important de toujours anticiper la phase de mise au point du moule et de définir la géométrie de la pièce dans le sens de retouche de ce dernier. Il sera toujours préférable d’usiner le moule que de devoir ajouter de la matière pour “recharger” le moule. La mise au point d’un clip est l’exemple type de la mise au point. Il est préconisé de s’orienter sur un clip d’une raideur « plus faible », afin de le « raidir » à la mise au point. Par ailleurs, ce mode d’obtention génère inévitablement des déformations plus ou moins importantes sur la pièce finale. Le niveau de précision géométrique n’est évidemment pas aussi important que dans le cas de l’usinage d’une pièce métallique par exemple…C’est pourquoi, là encore, il est important d’identifier les contraintes fonctionnelles potentiellement impactées en amont de la conception afin de mettre en place les modifications permettant de les limiter. Les fonctions esthétiques Les principaux impacts des contraintes de moulage sont esthétiques : Traces de points d’injection, Retassures (les matières se contractent au refroidissement ; or les zones les plus épaisses ont tendance à se contracter plus que celles de faible épaisseur), Marques d’éjecteurs, Marques de traînées, Lignes de soudure, Bavures, Brûlures, Déformation, Ombrage texturé, Couleur non uniforme… L’origine de ces défauts est variée. Ils peuvent résulter de la conception du moule d’injection et des conditions de moulage. Le challenge est que beaucoup de pièces plastiques sont des pièces d’habillage, dont la fonction principale est justement la fonction esthétique. C’est pourquoi pour travailler l’aspect cosmétique de ces pièces, il est extrêmement important d’intégrer ces contraintes en amont du projet, lors de la conception de la pièce. Il faut alors définir la matière, les épaisseurs, les dépouilles, le plan de joint… Par exemple, le procédé d’injection permet de réaliser une texture que l’on appelle le « grainage ». Même si cette opération est réalisée dans le moule après validation géométrique de la pièce, elle nécessite un angle spécifique en fonction de la profondeur du grain. De ce fait, cet angle de dépouille sera à prendre en compte bien en amont de la conception. Là encore, à ce stade, la collaboration avec le mouliste est très profitable car les informations et les conseils recueillis permettent souvent de gagner du temps et de l’argent. Un double défi à relever par les ingénieurs du Bureau d’études Au sein du Groupe AMETRA, le travail des ingénieurs en bureau d’études va donc devoir allier un raisonnement fonctionnel (les pièces doivent réaliser X et Y fonctions techniques) à une réflexion sur le rendu esthétique. En aéronautique et dans l’automobile par exemple, les pièces plastiques sont souvent associées à de l’habillage. Elles sont vues par l’utilisateur final, ce qui fait que leur apparence entre forcément en jeu. Une mauvaise conception pouvant générer de nombreux défauts esthétiques, il est important de faire jouer notre savoir-faire très en amont afin de nous assurer que tout se passe bien lors de la fabrication de la pièce plastique, qui va passer par des phénomènes physiques de changements d’état ayant in fine un impact très important sur son rendu. Pour prendre en compte les contraintes de moulage dès la conception de la pièce, il existe plusieurs solutions. Soit on dispose d’un retour d’expérience important (un référent qui puisse apporter sa connaissance de la réalisation des moules aux concepteurs par exemple), soit on est en mesure d’associer la société qui réalisera le moule plus tard. Malheureusement, le mouliste n’est pas toujours connu et choisi dès le départ par le client pour lequel on
