L’hydrogène est au cœur de la transition énergétique et offre un potentiel unique pour décarboner l’industrie et transformer notre consommation énergétique. Cependant, ce gaz, souvent considéré comme l’un des piliers de l’avenir énergétique, pose des défis techniques majeurs, notamment en termes de stockage, de transport et de mesure. Dans cet article, j’aborde les principaux enjeux liés à l’hydrogène et montre pourquoi les capteurs KELLER sont conçus pour répondre aux exigences.
Qu’est-ce que l’hydrogène exactement ?
L’hydrogène, premier élément du tableau périodique, est représenté par le symbole « H ». C’est l’élément le plus commun de l’univers, avec environ 75 % de la matière visible constituée d’hydrogène. Dans des conditions normales, l’hydrogène est un gaz incolore et inodore, environ 14 fois plus léger que l’air. La densité énergétique de 120-140 MJ/kg est remarquablement élevée, ce qui fait de cet élément un vecteur d’énergie prometteur.
On distingue deux formes : l’atome d’hydrogène simple (H) et l’hydrogène moléculaire (H₂).
H = Atome d’hydrogène simple
Un atome d’hydrogène est constitué d’un proton et d’un électron.
Un atome d’hydrogène isolé est très réactif et est rarement présent dans la nature. L’élément se combine rapidement avec d’autres atomes pour obtenir une configuration stable.
H2 = Hydrogène moléculaire (également appelé dihydrogène)
Deux atomes d’hydrogène forment ensemble une molécule (H2).
L’hydrogène est plus fréquemment présent dans la nature sous cette forme gazeuse.
L’hydrogène comme carburant
L’hydrogène est considéré comme un carburant respectueux de l’environnement, car il ne dégage aucun gaz d’échappement nocif comme le CO₂, les oxydes d’azote ou les particules fines lorsqu’il est utilisé pour produire de l’énergie. Au lieu de cela, le seul sous-produit est de l’eau, ce qui constitue un avantage considérable par rapport aux combustibles fossiles.
L’hydrogène présente également quelques inconvénients. Comme cet élément est rarement présent à l’état pur dans la nature, il doit généralement être produit au préalable. Cela nécessite beaucoup d’énergie et augmente les coûts. L’hydrogène dit « vert » est particulièrement cher, car il est obtenu exclusivement à partir de sources d’énergie renouvelables telles que l’énergie solaire et éolienne. D’autres types d’hydrogène, comme l’hydrogène « bleu » et « gris », sont en revanche produits à partir de combustibles fossiles, ce qui réduit l’avantage écologique.
Types d’hydrogène
Stockage et transport de l’hydrogène
Le stockage et le transport de l’hydrogène sont des opérations exigeantes sur le plan technique et posent des défis particuliers. L’hydrogène gazeux étant volatil et hautement inflammable, il doit être stocké et transporté soit sous très haute pression, soit à des températures extrêmement basses. Cela compense la faible densité énergétique par volume. Ces conditions imposent des exigences élevées en matière de sécurité et d’équipements techniques des systèmes de stockage.
Comparaison de la consommation d’hydrogène et de la capacité du tambour
Une voiture légère a besoin d’environ 7 kg d’hydrogène pour parcourir une distance de 700 kilomètres. Une bouteille de limonade d’une contenance de 750 ml, par exemple, peut contenir moins de 70 milligrammes d’hydrogène à pression atmosphérique.
Consommation d’hydrogène et capacité du tambour
Différents modes de stockage de l’hydrogène permettent de répondre aux besoins de nos clients :
- Hydrogène gazeux : L’hydrogène peut être stocké sous forme gazeuse dans des réservoirs spéciaux par compression à haute pression jusqu’à 700 voire 950 bars. Ce type de stockage nécessite cependant des réservoirs particulièrement robustes et coûteux.
Les réservoirs d’hydrogène gazeux existent en différents types, allant des modèles métalliques lourds (type I) aux composites ultra-légers (type IV). Les rapports gravimétriques vont de 1 à 2 % pour les réservoirs métalliques à 5 à 10 % pour les composites haute pression, idéaux pour les véhicules. Les réservoirs de type V, encore en cours de développement, promettent des performances encore meilleures.
Cet hydrogène comprimé peut également être transporté par pipeline pour alimenter les gros consommateurs d’hydrogène et les stations-service. - Hydrogène liquide : une autre approche consiste à liquéfier l’hydrogène. Cette méthode nécessite des températures extrêmement basses, autour de -252 °C, ce qui nécessite un apport énergétique important. De plus, le transport dans des citernes ou des réservoirs cryogéniques nécessite une isolation thermique extrême et une infrastructure spéciale.
- Méthodes alternatives : une autre possibilité consiste à combiner l’hydrogène avec d’autres éléments. On obtient ainsi des « produits » plus faciles à transporter. Des recherches intensives sont actuellement menées sur la méthanisation de l’hydrogène, qui consiste à transformer l’hydrogène en méthane. Les infrastructures de gaz naturel existantes peuvent être utilisées à cette fin. D’autres produits tels que le méthanol (CH30H) et l’ammoniac (NH3) sont également étudiés pour le transport de l’hydrogène ou de l’énergie. Les projets utilisant par exemple de l’ammoniac respectueux de l’environnement constituent un domaine clé pour les applications dans la production industrielle et le transport.
Le stockage solide de l’hydrogène, basé sur des matériaux tels que les hydrures métalliques ou des composés innovants tels que les hydrures complexes et les matériaux nanoporeux, offre une solution compacte et sûre pour la mobilité ultralégère ou les applications maritimes, notamment les bateaux et les sous-marins. Ces technologies permettent un stockage de l’hydrogène à haute densité sans compression extrême.
Le marché du stockage de l’hydrogène gazeux, liquide ou géologique est en plein essor. Les innovations s’adressent aux industries de conversion d’énergie pour le transport de l’hydrogène par pipeline ou par pétrolier, que ce soit par route ou par mer.
Transport d’hydrogène par pipeline
Transmetteurs de pression et défis de la mesure de l’hydrogène
La mesure précise et fiable de l’hydrogène est cruciale pour les applications industrielles. Lors de la mesure de la pression de l’élément, des exigences particulières sont imposées aux instruments de mesure. Grâce à leur technologie avancée, nos capteurs sont capables de relever les défis uniques de ce gaz :
Fragilisation par l’hydrogène
Dans le phénomène de fragilisation par l’hydrogène, l’hydrogène pénètre dans la structure du métal et modifie ses propriétés. Les changements peuvent devenir perceptibles à travers de petites fissures et peuvent même conduire à des fractures et à une défaillance du matériau.
Pour contrer cet effet, nous utilisons des matériaux moins sensibles à la fragilisation par l’hydrogène, par exemple l’alliage d’acier inoxydable (AISI 316L / 1.4435) avec une teneur en nickel de 14%.
Pénétration
La perméation décrit le processus par lequel l’hydrogène pénètre à travers une couche d’un matériau. L’hydrogène se présente normalement sous forme moléculaire liée sous forme de H2 (hydrogène pur) ou H2O (lié à l’oxygène sous forme d’eau) et rarement sous forme d’atome d’hydrogène unique (H). Lors d’une électrolyse ou d’un choc thermique (terme du glossaire ou lien vers Wikipédia), les molécules d’hydrogène (H2) peuvent se séparer et devenir des atomes d’hydrogène (H). En raison de leur légèreté, les atomes d’hydrogène individuels (H) peuvent pénétrer un réseau métallique et se frayer un chemin dans la membrane métallique . Ce processus peut être divisé en trois étapes suivantes :
- L’hydrogène est absorbé par le matériau.
- L’hydrogène pénètre dans le matériau par diffusion (les atomes H pénètrent dans l’acier et se lient directement aux molécules H2 après pénétration).
- L’hydrogène s’échappe de l’autre côté du matériau.
La durée de ce processus est appelée taux de perméation. Pour réduire la perméation de l’hydrogène, les membranes sont recouvertes d’une couche protectrice d’or. L’or a un taux de perméation inférieur à celui de l’acier. Cela signifie que l’or agit comme une barrière et prolonge considérablement le temps de diffusion.
Processus de perméation : l’hydrogène pénètre à travers une couche de matériau.
Fuite
La combinaison de l’hydrogène et de l’oxygène dans l’air peut créer un mélange hautement explosif. Selon le principe du triangle du feu, qui définit trois éléments essentiels de la combustion, il est crucial d’empêcher l’hydrogène (le carburant) de s’échapper.
La conception entièrement soudée sans joints internes et les raccords de processus à étanchéité métallique minimisent le risque de fuite. Nous pensons que les joints en élastomère présentent un risque de fuite important et sont donc exclus de la conception.
Certifié ATEX et intrinsèquement sûr
Pour une protection supplémentaire dans des conditions extrêmes, nos transmetteurs de pression sont certifiés ATEX. Les séries KELLER, marquées du signe d’identification supplémentaire « H2 », sont également disponibles en version à sécurité intrinsèque, marquée « Ei ». Cela signifie que les capteurs peuvent être utilisés dans des atmosphères potentiellement explosives .
Présentation des capteurs d’hydrogène
Nos capteurs pour les applications à hydrogène
Notre gamme de produits pour les applications hydrogène continue de s’élargir avec des produits qui répondent à des normes de sécurité et de performance exigeantes. Les solutions couvrent différents besoins tout au long de la chaîne d’approvisionnement en hydrogène – qu’il s’agisse de raffinage, de production d’ammoniac vert, de métallurgie, de stockage, de transport ou d’électrolyse.
Notre page d’application de l’hydrogène donne un aperçu de tout ce que nous avons à offrir pour les applications H2 : www.keller-druck.com/h2
Cyril Lintanff Spécialiste des marchés de l’hydrogène article d’origine : LEARN MORE
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