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Défense

Reportage

DCNS relève le défi des piles à combustible de seconde génération

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« Le projet est sensible et les enjeux énormes pour le groupe car plus de la moitié des sous-marins commandés aujourd’hui sont dotés d’un AIP ». Le ton est donné sur le site DCNS d’Indret, qui nous a ouvert ses portes pour découvrir une machine restée jusque-là à l’abri des regards. Historiquement spécialisé dans la propulsion des bâtiments militaires destinés à la Marine nationale et à l’export, l’établissement nantais de DCNS travaille dans la plus grande discrétion, depuis plus d’une décennie, sur une nouvelle propulsion anaérobie (Air Independent Propulsion – AIP) pour sous-marins. Un système innovant basé sur l’emploi de piles à combustible de seconde génération.

Augmenter l’autonomie en plongée des sous-marins

Historiquement, les sous-marins à propulsion diesel-électrique sont obligés de remonter régulièrement vers la surface, au moins en immersion périscopique, pour faire tourner leurs moteurs et, ainsi, recharger les batteries qui les alimentent en plongée. Ces phases sont considérées comme des périodes de grande vulnérabilité, les bâtiments étant plus facilement détectables.

C’est pourquoi cela fait plus de 20 ans que les grands constructeurs cherchent à augmenter l’autonomie en plongée des sous-marins à propulsion conventionnelle afin de limiter les indiscrétions.

Des chaufferies nucléaires au MESMA  

DCNS s’est appuyé dans un premier temps sur son expérience du nucléaire (10 SNLE réalisés et 12 SNA construits ou en train de l’être pour la Marine nationale) pour développer le MESMA, qui reprend le même principe d’utilisation des chaufferies à vapeur (la source d’eau chaude étant remplacée par un carburant, éthanol ou gazole). Ce système, imaginé dans les années 90, a été vendu au Pakistan, où il est opérationnel et fonctionne avec succès sur les trois bâtiments du type Agosta 90B, équipés entre 2008 et 2011 (le dernier au neuvage et les deux premiers après refonte) d’un MESMA utilisant de l’éthanol.

 

 

Les premiers AIP

D’autres industriels, qui n’avaient pas de savoir-faire dans le nucléaire, se sont orientés vers des solutions différentes. Les Suédois ont été les premiers à développer un AIP avec le système Stirling (moteur à combustion externe), adapté aux sous-marins par Kockums et en service dès 1996. Les Allemands sont, quant à eux, directement passés à la technologie des piles à combustible qui permet, en faisant réagir de l’hydrogène et de l’oxygène, de produire de l’électricité. Conçus pour de petits sous-marins, tout comme le Stirling, du fait des limitations de puissance, le concept de TKMS, opérationnel depuis 2003, repose sur un stockage de l’hydrogène dans des réservoirs extérieurs, avec d’évidents problèmes de masse et d’encombrement. Ainsi, sur les sous-marins allemands, il faut une double coque et une centaine de tonnes d’hydrures pour environ deux tonnes d’hydrogène utilisable. Et le remplacement des hydrures n’est pas une opération aisée, engendrant de lourdes contraintes pour le ravitaillement.

Fabriquer l’hydrogène directement à bord du bâtiment

C’est pourquoi DCNS, pour succéder au MESMA et prendre une longueur d’avance sur ses concurrents, a décidé de développer un système de piles à combustible de seconde génération (FC-2G) avec production directe de l’hydrogène à bord du sous-marin. Pour y parvenir, les ingénieurs français ont imaginé une solution visant à obtenir de l’hydrogène à partir d’un carburant classique (gazole) via un processus chimique de reformage. En parallèle, DCNS a conçu un système breveté permettant d’injecter de l’azote au niveau de l’arrivée d’oxygène, dans des proportions telles que l’on reconstitue de l’air synthétique, moins corrosif que l’oxygène pur. L'air est alors injecté dans les piles à combustible où il réagit avec l’hydrogène pour produire de l’électricité. 

 

 

Concernant l'hydrogène, concrètement, le gasoil est craqué dans un reformeur, à très haute température et haute pression (plusieurs dizaines de bars). Le produit obtenu passe ensuite dans un shift, qui élimine le monoxyde de carbone, avant de partir vers des membranes pour purifier le reformat et obtenir l’hydrogène pur, nécessaire au fonctionnement de la pile. Celle-ci est confinée dans une enceinte fermée et ventilée permettant de contrôler une éventuelle fuite d’hydrogène ou d’oxygène. Le processus génère un reliquat de gaz qui part quant à lui dans un brûleur catalytique servant également à maintenir la chaleur du système (cette énergie est notamment utilisée pour préchauffer les réactifs). Même si le gaz est différent de celui produit par le MESMA, les ingénieurs de DCNS ont capitalisé sur le procédé développé sur le précédent AIP pour permettre une dissolution quasi-instantanée dans l’eau des ultimes rejets gazeux. « Un gros travail avait été fait avec le MESMA pour dissoudre le gaz au plus près de la coque afin d’assurer une discrétion acoustique, visuelle et thermique. Nous nous en sommes inspirés pour le FC-2G », précise Marc Quemeneur, ingénieur et architecte AIP.

Quant à l’oxygène, stocké sous forme cryogénique dans une grande cuve, il est comme on l’a vu mélangé à de l’azote, l’air obtenu étant injecté dans la pile à combustible, où il réagit avec l’hydrogène pour produire de l’électricité mais aussi de l’eau. Cette dernière, chauffée par la pile, est utilisée pour les besoins du shift et du reformeur avant d’être rejetée, là aussi sans indiscrétion. L’énergie générée alimente les batteries du sous-marin et les moteurs électriques de propulsion.

Cette technique permet d’utiliser les piles industrielles venant du secteur civil.

Les avantages techniques et opérationnels du gazole

Parmi les combustibles disponibles, les ingénieurs français ont choisi le gazole plutôt que l’éthanol ou le méthanol pour des questions de sûreté : « le méthanol introduit des produits toxiques en cas de fuite alors que l’éthanol est inflammable sitôt atteinte une température de 13/14 degrés », explique Xavier Mesnet, ancien sous-marinier et aujourd’hui directeur Marketing et Développement de DCNS. Mais ce n’est pas le seul atout, loin s’en faut. Le gazole est, ainsi, facile à stocker, permet d’utiliser un carburant unique avec les générateurs traditionnels et, comme ce carburant est disponible partout dans le monde, « les ravitaillements deviennent très simples, car le carburant est facile à stocker, à acheter ou à transporter, contrairement au remplacement des hydrures, complexe et nécessitant des moyens spécialisés ».

Le FC-2G de DCNS offre donc des avantages considérables par rapport aux piles à combustible actuellement en service ou en développement, qui utilisent notamment de l’oxygène pur ayant pour inconvénient d’engendrer une forte usure, les filtres et membranes devant être remplacés très régulièrement. Le nouveau système français offre, selon ses concepteurs, un temps d’utilisation entre chaque maintenance majeure environ cinq fois supérieur à celui de ses concurrents étrangers.

 

 

Système modulaire

Autre atout non négligeable, le FC-2G français est modulaire. En clair, à l’image de l’ancien MESMA, l’ensemble des équipements de la pile à combustible est intégré dans une section de coque longue d’une dizaine de mètres, adaptable à tout sous-marin d’un diamètre au moins égal à 6 mètres, comme le Scorpene de DCNS. Ce module, occupé pour moitié par la réserve d’oxygène, peut être intégré au neuvage ou après refonte, d’autant que le FC-2G s’adapte aux bâtiments fonctionnant avec les nouvelles générations de batteries comme ceux équipés de technologies plus anciennes (batteries au plomb). DCNS a d’ailleurs travaillé en parallèle sur les nouvelles technologies de stockage de l’énergie, avec la technologie des batteries lithium-ion, dont les performances sont significativement améliorées. Suivant le même concept que le MESMA et le FC-2G, l’intégration d’un parc de batteries dans un module de coque indépendant constitue d’ailleurs une autre alternative proposée par le groupe français pour accroître l’autonomie des sous-marins.

 

 

Module intégré dans une section de coque, ici un MESMA (© : DCNS)

Module intégré dans une section de coque, ici un MESMA (© : DCNS) 

 

Une forte autonomie et un système adapté au cycle de vie du bateau

Avec le FC-2G, les sous-marins pourront opérer à petite vitesse durant deux à trois semaines selon l’utilisation opérationnelle, soit une durée d’immersion cinq fois supérieure aux bâtiments classiques. Côté maintenance, le système a été conçu pour s’adapter au cycle d’utilisation de la plateforme. « Le système est fait pour durer toute la vie d’un bâtiment, c’est-à-dire 35 à 40 ans pour les principaux composants. Les grands sous-systèmes pourront être changés tous les 8 à 10 ans lors des IPER (entretiens majeurs, ndlr) avec entretemps de petites interventions au cours des périodes d’entretien courant. L’objectif est vraiment de se caler sur le cycle de vie de la plateforme », souligne Karl Denecker, chef de projet AIP chez DCNS.

Des dizaines de brevets et de nouveaux métiers

DCNS, qui a travaillé secrètement sur ce projet jusqu’en 2014, s’est appuyé sur ses compétences internes mais aussi celles de partenaires, essentiellement français et dont l’identité demeure confidentielle. Le FC-2G a nécessité des investissements considérables en R&D et en essais : « Chez DCNS, en quatre ans seulement, nous sommes passés de un à plus de 60 brevets et de 20 à 100 personnes travaillant sur le projet, qui a vu l’introduction de nouveaux métiers, par exemple dans le génie des procédés. Les équipes comptent désormais des spécialistes en thermochimie et catalyse, ou encore des ingénieurs thermiciens. Ce sont des compétences scientifiques et techniques très pointues qui vont jusqu’au docteur en chimie  ».

 

Le site DCNS d'Indret (© : DCNS)

Le site DCNS d'Indret (© : DCNS) 

 

Un système à terre qui cumule des milliers d’heures de fonctionnement

Alors que les premières études ont débuté en 2003, un système à taille réelle a été installé et testé sur le site d’Indret entre 2008 et 2011. Depuis 2012, il permet de fiabiliser le dispositif et valider les performances de la technologie pour des usages opérationnels : « Nous avons par exemple réalisé des essais d’endurance pour adapter le système au temps de patrouille et à la vie du bâtiment. Ce système à terre a déjà été testé sur de très longues durées, avec plusieurs milliers d’heures de fonctionnement et des patrouilles d’un à deux mois permettant de valider le fonctionnement des éléments critiques et d’éprouver l’ensemble jusqu’à une IPER. De ce fait, nous pouvons d’ores et déjà garantir le système opérationnel sur les prochains Scorpene ».

Le défi de l’intégration et des processus critiques

Installé à deux pas des grandes nefs du site d’Indret où sont assemblés et testés les appareils moteurs et chaufferies des grands sous-marins nucléaires français, le système à terre est une imposante machine. Reformeur, membrane, shift, brûleur, piles… L’ensemble, haut de deux ponts et assemblé comme s’il devait être inséré dans une coque de sous-marin, est un petit bijou de technologie et de compacité. Toute la difficulté pour DCNS et ses partenaires a résidé dans l’intégration et l’optimisation du système. « L’oxygène en tant que tel n’est pas un défi, pas plus que l’hydrogène, qui est connu avec les batteries des sous-marins et que nous savons maîtriser. Les piles à combustible ont, quant à elles, fait l’objet de développements très importants dans le civil. Ce qui est vraiment complexe, c’est l’intégration de l’ensemble et certains processus critiques, comme le craquage et le filtrage pour lesquels il a fallu faire beaucoup de recherche ».

Automatisation et sécurité

Pour piloter le système à terre, comme sur un sous-marin avec son PC Propulsion, les ingénieurs d’Indret ont aménagé un poste de conduite. Sur les nombreux écrans installés dans le local, les schémas et informations sur les températures, pressions et autres débits se mettent à jour en continu. Pour les besoins des essais, il y a là un chef de quart et son équipe d’ingénieurs et de techniciens. Mais, comme sur un bâtiment moderne, l’ensemble est conçu pour fonctionner de manière autonome. « Le système de conduite nominale est complètement automatisé. Il est doublé par un système de sécurité indépendant qui dispose de ses propres capteurs et, en cas de problème, prend la main et peut imposer une mise en arrêt sûr. L’équipe de supervision voit ensuite d’où vient le problème », détaille Marc Quemeneur.

Le système à terre est bardé de capteurs, en particulier pour la détection d’éventuelles fuites d’oxygène et d’hydrogène grâce à un contrôle permanent de la composition de l’air dans le local. « Des seuils ont été établis. Normalement la limite pour l’hydrogène est de 4% dans l’air mais nos seuils sont bien plus bas. Les milliers d’heures de fonctionnement du système à terre nous ont permis de corriger les défauts, de prévenir l’émergence de certains problèmes, d’optimiser le système et de valider sa robustesse en testant l’évolution et l’usure des composants dans le temps. Ces essais ont aussi servi à déterminer les barrières de sécurité à mettre en place. Car l’objectif n’est pas seulement de disposer d’un système performant et fiable, c’est aussi d’offrir une sécurité maximale ».

 

La nouvelle version du Scorpene (© : DCNS)

La nouvelle version du Scorpene (© : DCNS) 

 

Prêt à passer à la phase industrielle

Les ingénieurs français soulignent que module FC-2G n’impacte pas les performances globales du sous-marin, en particulier ses capacités d’immersion et sa discrétion acoustique. La réalisation sur son site de Nantes-Indret d’un système à terre à taille réelle, cumulant aujourd’hui plusieurs années de tests et des milliers d’heures de fonctionnement, permet à DCNS de pouvoir aujourd’hui passer à la phase d’industrialisation du système.

« Les AIP, qui révolutionnent l’emploi des sous-marins conventionnels, sont un enjeu majeur car la plupart des pays veulent aujourd’hui s’en équiper. D’où la nécessité pour DCNS  proposer sur nos sous-marins un système fiable, performant et répondant aux besoins opérationnels des marines, le FC2G. C’est un projet très ambitieux, qui a mobilisé la R&D pendant une dizaine d’années et constitue l’un des enjeux clés du groupe en termes de technologies, de partenariats et de compétences », explique Xavier Mesnet.

Un enjeu crucial pour les constructeurs de sous-marins

C’est même avec ce nouveau système de propulsion que le groupe joue son avenir sur le marché des sous-marins, puisqu’on estime que, d’ici 2030, la quasi-totalité des commandes intègreront des AIP. Une donnée que tous les constructeurs internationaux ont bien intégrée en multipliant les projets dans ce domaine. Allemands, Suédois, Russes, Sud-coréens, Japonais, Espagnols, Chinois s’y emploient aussi et, à l’image de la guerre sous-marine, la bataille des AIP, si elle demeure discrète, n’en sera pas moins décisive, voire mortelle, pour ceux qui ne relèveront pas ce défi technologique. 

 

 

Naval Group (ex-DCNS)