Plus de 30 ans d’expertise dans l’hydrogène liquide !

Le CNES est un acteur mécon­nu de la filière hydro­gène qui, depuis plus de trois décen­nies, a déve­lop­pé une expé­rience et une exper­tise avé­rées en matière d’hydrogène liquide. Patrick Bur­das­zews­ki chef de ser­vice Pro­cess et Équi­pe­ments à la Direc­tion du Trans­port Spa­tial, nous en dit plus.

Le CNES dispose d’une expérience de plus de 30 ans dans la mise en œuvre d’hydrogène liquide au profit des lanceurs Ariane 4, Ariane 5 et plus récemment Ariane 6. Pouvez-vous nous en dire plus ? 

Les équipes du CNES ont été assez tôt confron­tées aux contraintes de mise en œuvre de l’hydrogène liquide avec le pro­gramme Ariane (1^er tir Ariane 1 le 24 décembre 1979) avec le troi­sième étage équi­pé du moteur HM7 (LOx/LH2). Puis, à l’occasion de l’essor d’Ariane 4, avec un pre­mier tir le 15 juin 1988, l’expérience cryo­gé­nique du CNES s’est lar­ge­ment déve­lop­pée et ren­for­cée. Les volumes de LH2 impli­qués dans le lan­ceur lourd Ariane 5 ont néces­si­té la construc­tion d’une usine locale de pro­duc­tion dans les années 90. Cette usine située en plein cœur du Centre Spa­tial Guya­nais ne pro­duit de l’hydrogène liquide que pour le lan­ceur Ariane. Aujourd’hui, l’usine exploi­tée par Air Liquide Spa­tial Guyane a béné­fi­cié d’un plan de trai­te­ment d’obsolescence finan­cé par l’ESA et est prête à répondre aux besoins du lan­ceur Ariane 6.

Dans ce cadre, quels sont les expertises et savoir-faire que vous avez développés ? 

Dans les années 90, le CNES a par­ti­ci­pé avec Air Liquide à la créa­tion de la filière hydro­gène au Centre Spa­tial Guya­nais. Cette indus­tria­li­sa­tion sur le ter­ri­toire guya­nais a été très com­plexe pour diverses rai­sons (l’absence de res­sources gazières, de fortes contraintes logis­tiques, l’absence de tis­su indus­triel) et a abou­ti au déve­lop­pe­ment d’une filière dédiée au spatial. 

En paral­lèle, les volumes mis en œuvre durant les chro­no­lo­gies de lan­ce­ment Ariane ain­si que le carac­tère non-linéaire des cam­pagnes de tirs ont conduit à conce­voir une logis­tique LH2 très sin­gu­lière, basée sur des sto­ckages cryo­gé­niques hors norme. Afin de gérer une pro­duc­tion indus­trielle conti­nue et les impor­tantes consom­ma­tions des jours de chro­no­lo­gie Ariane, le CNES a fait le choix de s’appuyer sur des réser­voirs semi-mobiles (RSM) pour trans­por­ter le LH2 des usines de pro­duc­tion jusqu’en zone de lan­ce­ment. Ces RSM LH2 peuvent conte­nir cha­cun jusqu’à 320 m³ utiles de LH2 et font par­tie des plus gros sto­ckages cryo­gé­niques LH2 mobiles au monde. La ges­tion des boil-off, des pertes par flash, de la stra­ti­fi­ca­tion ther­mique et des incon­som­mables font par­tie depuis plu­sieurs années du quo­ti­dien des équipes de déve­lop­pe­ment et d’essais du CNES. 

La dis­tri­bu­tion de LH2 repré­sente aus­si un véri­table chal­lenge, car l’hydrogène liquide cumule plu­sieurs contraintes, dont bien évi­dem­ment sa très basse tem­pé­ra­ture (20 Kel­vin ou ‑253°C) qui contraint bien plus sa mise en œuvre que celle des fluides cryo­gé­niques « tra­di­tion­nels » (azote, oxy­gène, argon ou méthane liquides) ; la taille de la molé­cule d’hydrogène qui dur­cit de son côté les cri­tères d’étanchéité ; sa forte inflam­ma­bi­li­té qui génère une sécu­ri­té accrue dans les zones voyant cir­cu­ler le gaz ; sa faible cha­leur latente molaire qui com­plexi­fie le main­tien en froid des lignes d’avitaillement aux­quelles s’ajoutent des contraintes liées aux assai­nis­se­ments pous­sés des cir­cuits avant intro­duc­tion de LH2. L’ensemble de ces pro­blé­ma­tiques est pris en compte par le CNES dans le desi­gn des ins­tal­la­tions, le sui­vi du déve­lop­pe­ment indus­triel, le sui­vi chan­tier sur la base spa­tiale et à l’occasion des tests de per­for­mance gran­deur réelle menés éga­le­ment par le CNES. 

Le volet sécu­ri­té est indis­so­ciable du volet opé­ra­tion­nel, notam­ment en ce qui concerne le trai­te­ment des effluents gaz et liquides ain­si qu’au niveau des sys­tèmes de détec­tion adap­tés en fonc­tion de la nature du risque et des objec­tifs de mesure. En outre, le CNES, à tra­vers sa com­po­sante « Sau­ve­garde du Centre Spa­tial Guya­nais », a déve­lop­pé une fine exper­tise au ser­vice de l’analyse de risques, l’analyse des zones de dan­ger et les mesures en dimi­nu­tion de risque à appor­ter. L’utilisation mas­sive d’hydrogène liquide lors des chro­no­lo­gies de lan­ce­ment Ariane à Kou­rou et la ges­tion du plus impor­tant sto­ckage d’Europe confèrent ain­si au CNES et plus par­ti­cu­liè­re­ment aux équipes de la sous-direc­tion Déve­lop­pe­ment Sol une expé­rience incom­pa­rable dans le cycle com­plet du LH2 (pro­duc­tion, sto­ckage, distribution).

Ces compétences sont particulièrement recherchées par le secteur portuaire et aéroportuaire. Quels sont les projets qui vous mobilisent dans ce cadre ? 

Aujourd’hui, les infra­struc­tures por­tuaires et aéro­por­tuaires sou­haitent acqué­rir le plus rapi­de­ment pos­sible cette expé­rience. En France, seuls les grands gaziers, le CNES et Aria­ne­Group pos­sèdent cette expé­rience indus­trielle. C’est dans cette logique que l’accord de par­te­na­riat entre le CNES et la CMA CGM a été noué. Essen­tiel­le­ment axé sur l’utilisation des don­nées spa­tiales, ce par­te­na­riat inclut éga­le­ment un volet hydro­gène afin d’accompagner le trans­por­teur mari­time fran­çais sou­cieux de ver­dir son acti­vi­té. Le CNES est par ailleurs sol­li­ci­té pour appor­ter son exper­tise dans le sec­teur aéroportuaire. 

En parallèle, avec l’Agence Spatiale Européenne vous avez lancé un projet d’unité pilote de production d’hydrogène vert. Pouvez-vous nous en dire plus sur ce projet et son état d’avancement ?

Le pro­jet HYGUANE, HYdro­gène GUya­nais A Neu­tra­li­té Envi­ron­ne­men­tale, est né d’une volon­té de l’ESA et du CNES d’embarquer des ergols verts dans le lan­ceur Ariane 6 et de déve­lop­per tout un éco­sys­tème autour de l’hydrogène sur le ter­ri­toire guya­nais. C’est un pro­jet hors du com­mun car il réunit toutes les com­po­santes d’un éco­sys­tème com­plet ; la pro­duc­tion d’hydrogène vert sera assu­rée via un élec­tro­ly­seur à mem­brane échan­geuse de pro­tons (PEM) ali­men­té par une éner­gie renou­ve­lable issue d’un champ pho­to­vol­taïque dédié. Le gaz sera alors épu­ré et injec­té dans le sys­tème de liqué­fac­tion exis­tant à Kou­rou pour pour­voir être uti­li­sé par Ariane 6. 

L’usage lan­ceur crée­ra ain­si les condi­tions favo­rables aux déve­lop­pe­ments de nou­veaux usages d’avenir pour le ter­ri­toire : l’usage sta­tion­naire (Piles A Com­bus­tible) et la mobi­li­té lourde H2 (trans­port de per­sonnes et mar­chan­dises). Pour ce faire, le pro­jet inclut une sta­tion de condi­tion­ne­ment et de sto­ckage d’hydrogène gazeux, des moyens de trans­port d’hydrogène gazeux, une sta­tion d’avitaillement ain­si que des véhi­cules lourds hydro­gène (Car, bus VIP et trac­teur) et deux Piles à Com­bus­tibles dont l’une d’entre elles devrait être ins­tal­lée sur le nou­veau pas de tir en cours de construc­tion et qui sera dédié aux micro et mini lanceurs. 

Pour finir, de manière à doter le ter­ri­toire de nou­veaux savoir-faire pour l’exploitation de ces briques tech­no­lo­giques, un centre de com­pé­tences sur l’hydrogène (HCC) sera construit et héber­ge­ra des ins­tal­la­tions de main­te­nance pour la mobi­li­té et le sta­tion­naire, un centre de for­ma­tion pour cer­ti­fier les tech­ni­ciens et opé­ra­teurs et une pla­te­forme de R&D pour accueillir uni­ver­si­taires et start-up de l’hydrogène.

Alors que la filière autour de l’hydrogène se professionnalise et se développe, comment vous projetez-vous et quels sont vos ambitions ? 

Au-delà de la conduite de la poli­tique spa­tiale fran­çaise et les grands pro­jets menés sur les satel­lites, les lan­ceurs, l’observation de la Terre et le trai­te­ment des don­nées spa­tiales, le CNES a aus­si pour mis­sion d’accompagner le sec­teur indus­triel dans son déve­lop­pe­ment. Fort de ses acquis dans la mani­pu­la­tion à grande échelle de l’hydrogène, le CNES peut appor­ter toute son exper­tise et son retour d’expérience aux acteurs français. 

En paral­lèle, la nou­velle direc­tion du déve­lop­pe­ment durable du CNES œuvre sur tous les fronts pour réduire l’empreinte car­bone de nos acti­vi­tés, en par­ti­cu­lier celle du Centre Spa­tial Guya­nais. La sobrié­té éner­gé­tique côtoie les pro­jets de pro­duc­tion d’énergie renou­ve­lable (champ pho­to­vol­taïque, cen­trale bio­masse) et ver­dis­se­ment des ergols lan­ceurs tels que l’hydrogène. Un des objec­tifs du CNES sur cette thé­ma­tique est ain­si de rendre l’activité spa­tiale neutre du point de vue envi­ron­ne­men­tal, tout en pro­mou­vant les ini­tia­tives béné­fi­ciant au ter­ri­toire guyanais. 

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