Étude numérique des performances d’un système de ventilation forcée en cas de fuite d’hydrogène dans une salle d’équipements souterraine

Maintenir la sécurité de l’hydrogène en souterrain

L’hydrogène est souvent présenté comme un carburant propre du futur, mais il est aussi très inflammable et très léger, ce qui le rend susceptible de s’accumuler sous les plafonds en cas de fuite à l’intérieur. Alors que les villes cherchent à installer équipements et stations de ravitaillement en hydrogène sous terrain pour gagner de l’espace et améliorer la sécurité au niveau de la rue, une question pressante se pose : comment empêcher l’hydrogène fuitant d’atteindre des concentrations explosives dans des locaux souterrains confinés ? Cette étude utilise des simulations informatiques détaillées pour évaluer l’efficacité de différents agencements de ventilateurs et d’ouvertures à extraire l’hydrogène d’une salle d’équipements souterraine compacte.

Pourquoi installer les systèmes d’hydrogène sous terre ?

Les stations d’hydrogène en surface doivent être séparées des habitations, écoles et autres bâtiments par des distances de sécurité importantes. Dans les villes denses, trouver de grandes parcelles libres pour de telles installations est difficile, ce qui freine le déploiement des transports à hydrogène. Enterrer les équipements clés peut réduire l’impact d’une explosion sur les structures voisines et faciliter l’implantation des points de ravitaillement. Mais passer sous terre supprime les brises naturelles et impose des limites structurelles sur le nombre d’ouvertures pouvant être pratiquées dans les murs et plafonds. Les auteurs se concentrent sur une salle en béton réaliste et compacte, de quelques mètres de côté, pour étudier la dispersion d’une fuite et la manière dont la ventilation forcée peut la dissiper.

Comment la fuite et la ventilation ont été testées par simulation

L’équipe a construit un modèle tridimensionnel d’une salle souterraine avec une buse d’hydrogène au sol, une petite ouverture latérale près du sol, une plus grande ouverture principale d’entrée d’air et un ou deux ventilateurs d’extraction au niveau du plafond. À l’aide d’un logiciel commercial de mécanique des fluides, ils ont simulé l’hydrogène jaillissant vers le haut depuis le sol et se mélangeant à l’air immobile, puis étant évacué lorsque les ventilateurs étaient mis en marche. Neuf scénarios « et si » ont varié trois facteurs principaux : le nombre de ventilateurs en fonctionnement, l’état (ouvert/fermé) de l’ouverture principale d’entrée d’air et le débit de fuite d’hydrogène. Les simulations ont suivi l’évolution des concentrations d’hydrogène en de nombreux points de la salle et, surtout, le temps nécessaire pour que la concentration moyenne franchisse des seuils de sécurité associés à l’inflammabilité.

Que se passe-t-il lorsqu’un hydrogène fuit à l’intérieur ?

Dans tous les cas de fuite, le même schéma est apparu : l’hydrogène monte en un jet étroit, frappe le plafond, puis s’étale latéralement pour former une couche gazeuse qui s’épaissit progressivement et descend. Les points situés à une même hauteur présentaient des concentrations similaires, tandis que les zones supérieures devenaient dangereuses en premier. À des débits de fuite réalistes, de larges portions de la salle atteignaient une plage clairement inflammable en moins d’une minute, et sans aucun ventilateur en marche, une grande partie de l’espace dépassait 10 % d’hydrogène en moins de cinq minutes. Ouvrir une conduite vers l’extérieur offrait un certain soulagement naturel, mais pas suffisamment pour maintenir les concentrations en dessous de la limite inférieure d’inflammation.

Comment l’agencement des ventilateurs modifie les marges de sécurité

Lorsque les chercheurs ont activé la ventilation forcée après une fuite, la disposition des ventilateurs et des ouvertures a fait une différence frappante. Si l’ouverture principale d’entrée restait fermée, ajouter un second ventilateur d’extraction n’accélérait la dilution que modérément. En revanche, ouvrir l’entrée principale pour laisser l’air frais pénétrer librement réduisait le temps nécessaire pour que l’hydrogène près du plafond retombe sous la limite inflammable d’environ 75 à 90 %. Placer l’entrée d’air et l’évent d’extraction sur le même mur fonctionnait mieux que de les opposer, car les configurations défavorables créaient des poches stagnantes près d’une saillie du plafond où l’hydrogène stagnait. Dans les meilleures configurations, la partie supérieure de la salle descendait sous le seuil inflammable en quelques secondes ; dans les pires, cela pouvait prendre plus d’une minute.

Un outil simple en règle générale

En parallèle des simulations détaillées, les auteurs ont développé un modèle mathématique simple qui traite la salle entière comme si ses gaz étaient parfaitement mélangés. Ce modèle n’utilise que le volume de la pièce, le débit de fuite et les débits d’entrée et de sortie des ventilateurs pour estimer l’évolution temporelle de la concentration moyenne d’hydrogène. Quand la salle se comportait de manière relativement homogène — sans fortes couches ni zones stagnantes — le modèle simple prédisait le temps pour atteindre ou descendre sous les seuils d’inflammabilité avec une précision d’environ 7 %. Dans les cas comportant une forte stratification ou des zones stagnantes, son erreur augmentait à environ 15 % mais fournissait néanmoins une première estimation raisonnable. Cela rend le modèle utile en phase de conception préliminaire, les simulations détaillées étant réservées aux vérifications finales.

Ce que cela signifie pour les salles d’hydrogène souterraines

Pour les concepteurs de locaux d’équipements hydrogène en souterrain, le message de l’étude est clair : la disposition des ouvertures peut compter autant, voire plus, que la puissance des ventilateurs. Assurer une entrée d’air frais de taille généreuse et positionner cette entrée de manière coordonnée avec le ventilateur d’extraction — idéalement sur le même côté et orientée pour balayer les zones où l’hydrogène s’accumule — peut réduire le temps pendant lequel la salle reste dans un état inflammable jusqu’à 90 %. Les auteurs montrent qu’avec une géométrie bien pensée et des débits de ventilation modestes, les salles souterraines peuvent satisfaire des objectifs de sécurité stricts sans pratiquer de larges ouvertures qui affaibliraient structurellement les murs et plafonds.

Citation: Shin, HC., Hwang, I. & Seo, H. Numerical study on the performance of a forced ventilation system under hydrogen leakage in an underground hydrogen equipment room. Sci Rep 16, 10782 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43773-5

Mots-clés: sécurité hydrogène, ravitaillement souterrain, conception de ventilation, dispersion de fuite de gaz, mécanique des fluides numérique