Stockage solide réversible de l'hydrogène : Étude et modélisation du comportement de la particule isolée de composés intermétalliques lors de l'absorption

Reversible solid hydrogen storage : Study and modeling of the isolated particle of intermetallic compound during absorption

• Auteur / Autrice : Ludovic Bebon
• Direction : David Chapelle, Anne Maynadier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance le 02/07/2021
• Etablissement(s) : Bourgogne Franche-Comté
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur et microtechniques (Besançon ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : FEMTO-ST : Franche-Comté Electronique Mécanique Thermique et Optique - Sciences et Technologies (Besançon) - Franche-Comté Électronique Mécanique- Thermique et Optique - Sciences et Technologies (UMR 6174) / FEMTO-ST
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement de préparation : Université de Franche-Comté (1971-....)
• Jury : Président / Présidente : Patricia de Rango
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : David Chapelle, Anne Maynadier, Patricia de Rango, Frédéric Victor Donzé, Maximiliano Melnichuk, Olivier Gillia, Dominique Perreux, Frédéric Thiebaud
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Frédéric Victor Donzé, Maximiliano Melnichuk

Mots clés

Mots clés contrôlés

Méthode des éléments discrets

Stockage

Hydrogène métallique

Mots clés libres

Hydrogène

Stockage solide

Méthode éléments discrets

Alliages métalliques

Décrépitation

Hydrogen

Solid storage

Discrete slement Method

Metal alloys

Decrepitation

Résumé

L'hydrogène apparait aujourd'hui comme un vecteur énergétique vertueux en réponse aux défis climatique et énergétique actuels. Son usage nécessite le développement d'une filière hydrogène complète avec la production, l'utilisation et le stockage d'un hydrogène décarbonné. Ces travaux s'intéressent aux problématiques du stockage dit << solide >> de l'hydrogène en particulier aux phénomènes de dilatation et de décrépitation des particules de composés intermétalliques. L'objectif est de caractériser et d'approcher numériquement le comportement mécanique d'une particule de composé intermétallique lorsqu'elle absorbe l'hydrogène. Ces travaux débutent par l'état de l'art de la filière hydrogène, la description du stockage par les intermétalliques et les problématiques soulevées. Des observations de troiscomposés intermétalliques d'intérêts, le LaNi5, le TiFe0.9Mn0.1 et le TiMn1.5, sont faites lors de leur première réaction avec l'hydrogène dans un banc dédié. Ensuite la caractérisation mécanique du TiFe0.9Mn0.1 est menée par des essais de compression, de propagation d'ultrasons et de nano-indentation. Un premier modèle analytique de l'absorption de l'hydrogène par une sphère biphasée est proposé pour expliquer la stabilisation de la granularité du matériau dans les réservoirs. Enfin, une modélisation du problème d'absorption de l'hydrogène par une particule est développée dans le cadre de la méthode des éléments discrets. Ce modèle permet d'étudier l'influence des grandeurs mécaniques sur le comportement de la particule et son mode de décrépitation.

Hydrogen appears today as a virtuous energy vector in response to the current climate and energy challenges. Its use requires the development of a complete hydrogen sector with the production, use and storage of a decarbonized hydrogen. This work is interested in the problems of the so-called ''solid'' storage of hydrogen, in particular the phenomena of expansion and decay of intermetallic compound particles. The objective is to characterize and numerically approach the mechanical behavior of a particle of intermetallic compound when it absorbs hydrogen. This work first deals with the state of the art of the hydrogen industry, the description of the storage by intermetallics but also the inherent challenges. Observations of three intermetallic compounds of interest, LaNi5, TiFe0.9Mn0.1 and TiMn1.5, are performed during their first reaction with hydrogen in a dedicated bench. Then a characterization of TiFe0.9Mn0.1 is carried out by compression, ultrasound propagation and nanoindentation tests. A first analytical model of the hydrogen absorption by a two-phase sphere is proposed to explain the stabilization of the granularity of the material granularity in the storage tanks. Finally, a hydrogen absorption modeling of a single particle is developed in the framework of the discrete element method. This model allows to assess the influence of mechanical properties on the behavior of the particle and its way of decrepitation.