Dans un monde confronté à l’urgence climatique, la recherche de solutions énergétiques durables ne peut plus attendre. Parmi les technologies qui façonneront l’avenir, l’hydrogène s’affirme comme un acteur incontournable de la décarbonation des secteurs les plus énergivores. Dès 2022, Arts et Métiers a pris une décision stratégique en lançant un programme pionnier, résolument tourné vers cette filière d’avenir.
Une initiative élargie à l’échelle du Carnot ARTS et coordonnée par le Professeur Farid BAKIR, enseignant chercheur au Laboratoire d’Ingénierie des Fluides et Systèmes Energétiques et membre du comité Direction du Carnot ARTS. Ce dernier expose clairement l’ambition de ce projet « Nous voulons faire de l’hydrogène bien plus qu’un simple sujet de recherche : un moteur d’innovation, d’engagement collectif et de transformation durable ».
UNE MISSION AU SERVICE DU BIEN COMMUN
Le programme H2 vise à bâtir une filière hydrogène durable, inclusive et profondément ancrée dans les territoires. Cette ambition implique une collaboration étroite entre chercheurs, industriels et institutions, chacun apportant son expertise pour surmonter les défis technologiques. Mais cette collaboration, bien que cruciale, fait face à des divergences d’intérêts. La recherche académique, avec ses cycles longs, se heurte parfois à l’urgence d’actions industrielles concrètes.
Les défis techniques sont nombreux. Si les matériaux nécessaires à l’hydrogène restent coûteux et que les pertes d’énergie liées au stockage et à la conversion demeurent élevées, les chercheurs redoublent d’efforts pour surmonter ces obstacles un à un. Améliorer la gestion thermique des piles à combustible, prolonger la résistance et la sécurité des réservoirs hydrogène à haute pression, ou renforcer la fiabilité des systèmes sont quelques-uns des enjeux actuels. Par exemple, la thèse d’Imen FEKI et de Clara PEYNAVEYRE sur les matériaux composites des réservoirs d’hydrogène explore leur résistance face aux sollicitations thermomécaniques et hygrothermiques sévères et couplées. Une recherche essentielle pour optimiser la durabilité et la résistance de ces composants face aux sollicitations cycliques, aux chocs et aux sollicitations thermiques, aux cycles de fatigue et aux sollicitations environnementales.
« La complexité de ces enjeux – scientifiques, techniques, industriels – exige une collaboration étroite entre les laboratoires et les entreprises, sur des plateformes où l’innovation se confronte à la réalité », souligne Farid Bakir. Cette collaboration est indispensable pour surmonter ces défis, qui allient à la fois aspects scientifiques, économiques et logistiques.
UNE STRATEGIE OUVERTE, TRANSVERSALE ET TERRITORIALE
Le programme repose sur une vision systémique, qui vise à décloisonner les disciplines, à travailler en réseau. Arts et Métiers et l’Institut Carnot Arts, construisent ainsi une filière résiliente, en collaboration avec des géants industriels et institutionnels tels que France Hydrogène, le CEA, Safran, ArianeGroup, Arkema, Air Liquide et bien d’autres.
« Nos chargés d’affaires œuvrent chaque jour pour connecter les laboratoires aux besoins réels des industriels. Cette capacité d’écoute nourrit l’innovation et soutient la création de consortiums Industrie-Recherche dédiés à l’hydrogène décarboné », explique Philippe Veron, directeur de l’Institut Carnot Arts.
Les laboratoires de l’École et de l’Institut Carnot Arts, mènent des activités couvrant l’ensemble de la chaîne de valeur de l’hydrogène : de la production à l’utilisation, en passant par le stockage, le transport et la distribution. Ces travaux, à la croisée de plusieurs disciplines — mécanique, matériaux, écoulements, thermique, maintenance et sécurité — s’appuient sur des outils de modélisation avancés, intégrant les dernières innovations du numérique scientifique.
LA RECHERCHE : MOTEUR SCIENTIFIQUE D’UNE FILIERE EN PLEINE ACCELERATION
Aujourd’hui, déjà une cinquantaine de chercheurs doctorants sont mobilisés sur des projets où se croisent matériaux, énergétique et données. L’un des projets phares est OptUseH₂, lancé en 2023 et coordonné par Joseph FITOUSSI. Ce projet réunit six laboratoires du Carnot Arts et deux laboratoires partenaires pour optimiser l’ensemble des systèmes hydrogène, en mêlant intelligence artificielle, données de terrain et expérimentations physiques.
Parmi les thèses en cours, celle de Jordan TOURNERIE sur la fragilisation des polymères pour le stockage d’hydrogène, de Feriel ABDERRAHMANE sur l’hydrogène issu des énergies marines renouvelables pour les îles isolées, ou encore de Clara PENAVAYRE sur le vieillissement des matériaux composites innovants et recyclables, apportent des avancées significatives. Ces projets visent à renforcer la fiabilité, l’efficacité et la durabilité des technologies liées à l’hydrogène, qu’il s’agisse de stockage, de distribution ou de conversion.
Dinya MENECEUR (laboratoire LIFSE) travaille sur la modélisation et l’optimisation des compresseurs régénératifs utilisés dans les piles à combustible. Son travail se concentre sur l’amélioration de l’efficacité des compresseurs, en prenant en compte les paramètres environnementaux changeants et en optimisant le processus de compression, essentiel à la performance globale des piles à combustible.
Abel NETTER (laboratoires I2M et LIFSE) mène des recherches sur les systèmes ministack (3 cellules) et full stack de piles à combustible. Sa recherche vise à étudier, à travers des approches numériques et expérimentales, la performance et la durabilité de ces systèmes dans des conditions de fonctionnement variables et sous des charges dynamiques. Le but est de comprendre comment les paramètres tels que la température, la pression et l’humidité affectent les performances, la durée de vie et les mécanismes de dégradation des piles à combustible, tout en développant des modélisations et des études expérimentales pour isoler les phénomènes de dégradation. Ses travaux sont cruciaux pour améliorer l’efficacité des piles à combustible, déjà en application commerciale, et les rendre encore plus robustes pour des utilisations à grande échelle.
Les recherches de Nour HABIB (laboratoire LAMPA), quant à elles, portent sur les simulations numériques du comportement du sel gemme dans le stockage géologique de l’hydrogène. Ce projet innovant permet de mieux comprendre comment l’hydrogène peut être stocké dans des cavernes salines, contribuant ainsi à la mise en place de solutions durables pour la gestion à grande échelle de l’hydrogène.
Ibrahim SEBEI (laboratoire PIMM) développe un outil de simulation numérique innovant pour l’enroulement filamentaire, couplé à un module de calcul par éléments finis dédié aux réservoirs d’hydrogène sous pression.
Son travail répond aux enjeux croissants de la filière hydrogène, en apportant aux industriels une solution puissante pour concevoir, optimiser et maîtriser les réservoirs de stockage, de la phase de conception jusqu’à leur mise en service.
Pedram AMINHARATI (laboratoires LCPI et PIMM) met l’intelligence artificielle au service de l’optimisation des structures composites pour les réservoirs à hydrogène. Il développe des algorithmes capables de séquencer intelligemment les couches de composites afin d’améliorer à la fois la résistance à l’éclatement et à la fatigue, tout en réduisant la masse globale — un levier direct sur la consommation d’énergie et les coûts de production. Ces approches sont finalement intégrées dans un jumeau numérique de réservoir sous pression cyclique, ouvrant la voie à une gestion prédictive et en temps réel des performances.
Autant d’exemples illustrant à la fois l’attrait de la filière pour les jeunes chercheurs, autant que le foisonnement des thématiques explorées et leur nécessaire convergence.
FORMER LES TALENTS DE DEMAIN
La formation des ingénieurs en hydrogène est d’ailleurs au cœur du projet pédagogique par projet porté par Arts et Métiers. Les élèves ingénieurs travaillent sur des cas concrets, souvent en collaboration avec des industriels. Cela leur permet de développer des compétences transversales, allant de la gestion de l’énergie à la durabilité des matériaux.
En participant à des projets structurants comme l’AMI-CMA « École H₂ », porté par la région Bourgogne-Franche-Comté. Il s’agit là de créer des parcours de formation allant du CAP au doctorat, s’inscrit pleinement dans les efforts pour développer une filière hydrogène robuste, et positionne l’établissement comme un acteur clé de cette transition énergétique.
Par ailleurs, des partenariats internationaux, notamment dans le cadre du programme BRAFITEC, avec des institutions en Europe, au Brésil et au Japon, viennent enrichir cette dynamique d’ouverture et de collaboration.
FAIRE VIVRE UNE CULTURE COMMUNE DE L’HYDROGENE
Le programme ne se résume pas à une série de projets techniques : il est également un espace d’échange, de partage et de réflexion. Séminaires, webinaires et publications contribuent à forger une véritable culture commune de l’hydrogène au sein d’Arts et Métiers et des 23 laboratoires de recherche du Carnot ARTS. Le premier grand rendez-vous prendra la forme d’une Journée des Doctorants et rassemblera sur le campus Arts et Métiers de Paris, les jeunes étudiants chercheurs du Carnot ARTS impliqués sur les sujets Hydrogène, leurs ainés et des représentants institutionnels et industriels de la filière.
« Il ne s’agit pas seulement d’une question technologique, mais d’un véritable défi collectif : celui de transformer nos modèles énergétiques pour un avenir plus durable. », conclut le Professeur BAKIR.
