Développement de modèles phénoménologiques et de maitrise des issues d’explosion pour la filière émergente hydrogène-énergie

Development of phenomenological and risk assessment models of explosion for the emerging hydrogen-energy industry

• Auteur / Autrice : Audrey Duclos
• Direction : Christophe Proust
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des Procédés : Transformations intégrées de la matière renouvelable (EA-4297)
• Date : Soutenance le 29/10/2019
• Etablissement(s) : Compiègne
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Compiègne)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Transformation Intégrée de la Matière Renouvelable / TIMR

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modèles mathématiques

Barrières humaines de sécurité

Évaluation du risque

Gestion du risque

Turbulence

Combustion

Diffusion (physique)

Diffusion atmosphérique

Explosions

Hydrogène

Mots clés libres

Barrières de sécurité

Maitrise des risques

Dispersion

Modèles phénoménologiques

Fuite d’hydrogène

Explosion

Turbulence

Hydrogen

Safety barriers

Risk control

Dispersion

Phenomenological models

Hydrogen leakage

Résumé

Depuis quelques années, l’hydrogène apparaît comme un vecteur d’énergie crédible. Cependant les applications hydrogène sont toujours considérées dangereuses, tant est redouté un évènement dangereux tel qu’une explosion pourrait avoir lieu si une fuite d’hydrogène se produisait. La situation est donc l’enjeu essentiel et ne doit pas être un verrou pour l’introduction et le développement des objets hydrogène sur le marché. La première partie porte sur la maîtrise des risques, une méthode d’analyse des risques a été utilisée pour identifier les scénarios accidentels tout en prenant en compte les barrières de sécurité. La seconde partie est une revue de tous les phénomènes impliqués depuis le rejet d’hydrogène jusqu'à la combustion d’un mélange d’hydrogène-air, afin de sélectionner les modèles permettant le calcul du terme source jusqu’aux effets finaux. Cependant, les modèles existants relatifs à la formation d’une atmosphère explosive et à la propagation de flamme dans un confinement réel sont insuffisants. Par conséquent, des améliorations des modèles ont été réalisés à l’aide d’une campagne expérimentale dans une enceinte de 4 m3 munie un évent. La troisième partie est dédiée à la discussion, tous les résultats sont intégrés dans une boite à outils. Cet outil a été appliqué à la Greenergy Box, une application développée par AREVA Stockage d’Energie. Les conclusions sont que, sans prise en compte de la turbulence, dès que la concentration est supérieure à 20% d’hydrogène dans l’enceinte, il y a un risque d’avoir une importante explosion secondaire (explosion du mélange expulsé de l’enceinte). Si la turbulence était prise en compte, l’acceptation du risque serait remise en jeu.

Since a few years, hydrogen appears as a credible energy-vector. However, hydrogen applications are still considered dangerous, as there is a fear of a dangerous event such as an explosion if a hydrogen leak occurs. Safety is therefore the key issue and should not be a lock for the introduction and development of hydrogen objects on the market. The first part deals with risk assessment, a risk analysis method was used to identify accidental scenarios while considering the safety barriers. The second part is a review of all the phenomena involved from the release of hydrogen to the combustion of a hydrogen-air mixture, in order to select the models allowing the calculation from the source term to the final effects. However, the existing models for the formation of an explosive atmosphere and flame propagation in a real containment are insufficient. Therefore, improvements of the models have been carried out by means of an experimental campaign in a 4 m3 vented enclosure. The third part is dedicated to the discussion, all results are integrated in a toolbox. This tool has been applied to the Greenergy Box, an application developed by AREVA Energy Storage. The conclusions are that, without taking turbulence into account, as soon as the concentration is higher than 20% of hydrogen in the enclosure, there is a risk of having a significant secondary explosion (explosion of the mixture expelled from the enclosure). If turbulence was taken into account, the acceptance of the risk would be questioned.