All about (liquid) hydrogen

It’s all about Cryogenius.

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All about (liquid) hydrogen

Le développement durable est une question centrale dans la société d’aujourd’hui. Les catastrophes naturelles, les reportages inquiétants et la pression exercée par les politiciens exigent que de plus en plus d’industries fassent tout leur possible pour fonctionner de manière plus durable.

Dans la lignée du Green Deal européen, la loi européenne sur le climat impose également l’objectif juridiquement contraignant de réduire les émissions de gaz à effet de serre de 55 % en 2030 par rapport aux niveaux de 1990 et de parvenir à la neutralité climatique dans l’UE d’ici 2050. Pour atteindre ces objectifs, il est aujourd’hui nécessaire d’agir dans de nombreux secteurs. Elle donne lieu à de nombreuses recherches, discussions et, heureusement, au développement de sources d’énergie renouvelables prometteuses.

Dans ce blog, nous nous concentrons sur l’hydrogène en tant qu’élément essentiel du débat actuel sur la durabilité. L’hydrogène a un énorme potentiel pour servir de vecteur énergétique durable s’il est produit et utilisé de manière adéquate.

Quelles sont les caractéristiques exactes de ce gaz ? Quelles possibilités l’hydrogène offre-t-il en termes de durabilité ? Quelles sont les applications essentielles, et quelles solutions Demaco propose-t-elle ? Nous en discuterons et bien plus encore dans ce blog.

Qu’est-ce que l’hydrogène (liquide) ?

L’hydrogène est le gaz le plus léger de l’univers. Dans des conditions normales, c’est un élément chimique de symbole H et de numéro atomique 1, un gaz incolore, inodore et hautement inflammable. Ce gaz n’est pas présent sur Terre sous forme isolée mais fait partie de l’eau. Le manque d’hydrogène ne sera donc pas un problème.

L’hydrogène est utilisé à la fois sous forme liquide et gazeuse. Ce gaz a une densité (kg.m-3) de 0,08988 et un point d’ébullition de -252,9 centigrades. À son point d’ébullition, l’hydrogène se condense et passe de l’état gazeux à l’état liquide.

Par rapport à la plupart des autres gaz, le point d’ébullition de l’hydrogène est extrêmement bas. Seul l’hélium, avec son point d’ébullition de -268,9 centigrades, a un point d’ébullition encore plus bas. La très basse température combinée à la haute inflammabilité de l’hydrogène en fait un matériau relativement dangereux. Des mesures de sécurité strictes et des infrastructures avancées sont donc essentielles.

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L’histoire de l’hydrogène (liquide)

L’hydrogène a été produit pour la première fois en 1671 par le scientifique Robert Boyle. Il a étudié la réaction de divers métaux en les plongeant dans de l’acide. Au fur et à mesure que les métaux réagissaient avec l’acide, de l’hydrogène était produit comme effet secondaire.

Ce n’est toutefois qu’en 1766 que l’hydrogène a été identifié pour la première fois par Henry Cavendish. Il a confirmé dans un document de recherche que l’hydrogène était un élément distinct et a donné plus de détails sur l’extrême inflammabilité de ce gaz alors nouvellement découvert.

Cavendish a également découvert que l’hydrogène gazeux forme de l’eau lorsqu’il est combiné au feu. Cette découverte a conduit au nom qu’Antoine Lavoisier a donné au gaz quelques années plus tard : hydrogenium (« hydro » et « gènes » à traduire par « faiseur d’eau » ou « formateur d’eau »).

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Une machine de Cavendish qui a été utilisée pour fabriquer de l'hydrogène.
Source : https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/f/f5/Cavendish_hydrogen.jpg

La production d’hydrogène n’a pas vraiment pris son essor avant que William Nicholson et Sir Anthony Carlisle ne découvrent un procédé de production d’hydrogène en 1800. La méthode d’électrolyse consiste à appliquer un courant électrique à l’eau, produisant ainsi de l’hydrogène et de l’oxygène gazeux.

À cette époque, l’hydrogène était exclusivement gazeux. Quelques décennies plus tard, plusieurs scientifiques du monde entier ont commencé leurs expériences sur la liquéfaction du gaz. L’un de ces chercheurs était Kamerlingh Onnes, professeur à l’université de Leiden. Il a construit un laboratoire froid et a rivalisé avec d’autres chercheurs pour être le premier à produire de l’hydrogène liquide.

Si Onnes était sur la bonne voie, le physicien écossais James Dewar a été le premier à réussir à transformer l’hydrogène en liquide. En 1898, il atteint pour la première fois une température de -252,9 centigrades. Quelques années plus tard, en 1906, Onnes a également réussi à produire de l’hydrogène liquide. Il l’a fait dans son laboratoire cryogénique de Leyde, où l’on atteignait à l’époque les températures les plus basses du monde.

Parallèlement, la recherche sur les applications de l’hydrogène s’est poursuivie sans relâche. Cela a abouti à la mise au point de la première batterie à gaz en 1845 et, peu après, à des recherches sur les possibilités de l’hydrogène comme vecteur d’énergie dans une pile à combustible.

Dans les années 1990, le potentiel de l’hydrogène est devenu de plus en plus évident. Des expériences sur des navires, des camions et des avions ont commencé, et le secteur aérospatial est rapidement devenu un utilisateur majeur.

Les avantages de la durabilité devenaient également plus évidents. En 1970, John O’M. Bockris a créé le terme « économie de l’hydrogène ». Il a décrit une économie dans laquelle l’hydrogène renouvelable serait le principal vecteur énergétique, remplaçant nos combustibles fossiles.

Les avantages de l’hydrogène (liquide)

Si l’économie de l’hydrogène de Bockris n’est pas encore devenue réalité, l’hydrogène durable est bel et bien à l’honneur. Les avantages en termes de durabilité sont importants :

  • Tout d’abord, l’hydrogène est un élément omniprésent. Ainsi, même s’il existe actuellement des défis liés à la production d’hydrogène, les matières premières ne manquent pas.
  • En outre, lorsqu’il est produit et utilisé de manière durable, l’hydrogène n’a pas d’incidence négative sur l’environnement. Les seuls sous-produits sont la chaleur et l’eau, qui sont facilement réabsorbés dans l’atmosphère.
  • Enfin, la production d’hydrogène ne nécessite pas de grandes surfaces de terrain, ce qui est par exemple le cas pour les biocarburants et l’hydroélectricité.

Outre la durabilité, l’hydrogène présente des avantages pratiques. Par exemple, il peut stocker efficacement pendant une période prolongée l’énergie produite. C’est le contraire de l’électricité produite par l’énergie éolienne. Cette énergie doit être alimentée directement dans le réseau et déchargée en cas de saturation de celui-ci.

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Mais l’hydrogène est-il vraiment aussi durable que beaucoup le pensent ? Cela dépend de la façon dont il est produit. Si l’énergie renouvelable est utilisée pendant le processus de production, l’hydrogène est en effet une option très durable.

Mais malheureusement, ce n’est pas encore le cas dans la plupart des cas. Seuls 5 % de l’hydrogène sont actuellement produits à l’aide d’énergies durables ; les combustibles fossiles sont encore utilisés dans le reste des cas. Et même si elle part d’une bonne intention, cette méthode de production ne rend pas du tout l’hydrogène très durable.

La production d’hydrogène

Comme l’hydrogène n’existe pas sur Terre à l’état pur, il faut le produire. Il existe trois processus de production légèrement différents basés sur le même principe.

Pour produire de l’hydrogène, il faut une matière première qui est mise en contact avec une source d’énergie. Tant la matière première que la source d’énergie peuvent différer. Dans la pratique, il existe trois processus de production différents :

Hydrogène gris

L’hydrogène gris est produit à l’aide de combustibles fossiles (tels que le charbon ou le gaz naturel) et de vapeur. Par conséquent, cette forme de production d’hydrogène est également appelée reformage du méthane à la vapeur. L’avantage de cette méthode de production est que les coûts sont relativement faibles et qu’une production à grande échelle est possible.

Un inconvénient important, cependant, est que le CO2 est libéré pendant la production. Cela rend malheureusement l’hydrogène gris nocif pour l’environnement.

Actuellement, environ 95 % de l’hydrogène est produit par reformage du méthane à la vapeur. Cette opération est réalisée dans de grands reformeurs, qui séparent les hydrocarbures en hydrogène et en carbone.

Hydrogène bleu

La production d’hydrogène bleu est fondamentalement la même que celle d’hydrogène gris, à une différence près. La grande quantité de CO2 libérée pendant le processus de production n’est pas absorbée dans l’air mais capturée ou réutilisée.

L’hydrogène bleu est donc beaucoup plus durable que l’hydrogène gris. Cependant, le captage du C02 nécessite de l’énergie, ce qui réduit le rendement final en énergie totale.

Hydrogène vert

La production d’hydrogène vert utilise de l’énergie verte et de l’eau. Grâce à l’électrolyse, l’eau est transformée en hydrogène et en oxygène. Cette méthode de production ne dégage pas de CO2, ce qui fait de l’hydrogène vert le seul hydrogène véritablement durable.

La production à grande échelle d’hydrogène vert constituerait une avancée significative pour rendre les carburants et l’énergie plus durables. Malheureusement, ce n’est pas le cas actuellement car plusieurs facteurs rendent la production d’hydrogène vert problématique :

  • La production d’hydrogène vert est très coûteuse par rapport à celle d’hydrogène gris. Les technologies d’électrolyse sont coûteuses, et l’énergie verte est également (pour l’instant) plus coûteuse que l’électricité grise.
  • L’électrolyse consomme une quantité d’énergie relativement importante. Les critiques se demandent donc s’il ne serait pas plus efficace d’injecter l’électricité utilisée directement dans le réseau énergétique. Avec l’électrolyse, vous avez en fait un rendement de 70%. Cela signifie que 30 % de l’énergie produite est perdue dans le processus de fabrication de l’hydrogène.
  • L’électrolyse nécessite de l’eau. Pour laquelle on utilise actuellement principalement de l’eau propre, ce qui pourrait poser des problèmes dans les pays souffrant de pénurie d’eau. Toutefois, les recherches montrent que l’eau de mer et les eaux usées peuvent également être utilisées pour une électrolyse réussie. Cela offre des possibilités pour l’avenir.

Les raisons mentionnées ci-dessus impliquent que la production d’hydrogène vert est encore lente à décoller. C’est pourquoi une baisse substantielle des prix et un soutien important des gouvernements sont nécessaires pour rendre possible la production à grande échelle d’hydrogène vert.

Stockage et transport

Si l’hydrogène est relativement largement utilisé sous forme gazeuse, le stockage et le transport de l’hydrogène gazeux constituent un défi. En raison de sa densité extrêmement faible, l’hydrogène sous forme gazeuse occupe un volume important à la pression atmosphérique.

Cependant, le fait de mettre le gaz sous haute pression (350-700 bars de pression dans le réservoir) ou de le liquéfier résout ce problème. En fait, sous forme liquide, la densité de l’hydrogène est multipliée par 800. Cela signifie que l’on peut stocker 800 fois plus d’hydrogène dans le même réservoir ou la même cuve.

Qu’est-ce que cela signifie pour le transport de l’hydrogène ? Sur de courtes distances, l’hydrogène est souvent transporté sous forme liquide dans des lignes de transfert isolées optimales, tandis que pour le transport sur de longues distances, on utilise de grands camions-citernes cryogéniques ou des trains. L’hydrogène est également transporté sous sa forme gazeuse par route ou par rail dans des bouteilles à haute pression.

Comme pour le transport, le stockage de l’hydrogène est également plus facile à gérer lorsqu’il est sous sa forme liquide ou maintenu à très haute pression. C’est pourquoi l’hydrogène gazeux est généralement stocké dans des réservoirs spéciaux construits pour supporter et réguler cette pression élevée. L’hydrogène liquide est également stocké dans de grands réservoirs ou récipients de stockage. Ceux-ci sont équipés d’une isolation optimale (sous vide), minimisant les pertes d’énergie.

La possibilité d’utiliser les infrastructures de gaz naturel existantes pour transporter l’hydrogène à l’avenir est actuellement étudiée. Cette option semble réalisable sans trop de modifications des infrastructures existantes, mais là encore, les coûts sont trop élevés. Un autre problème est que toutes les infrastructures ne sont pas identiques et que chacune d’entre elles devra être évaluée individuellement pour déterminer l’ampleur des ajustements nécessaires.

Les applications de l’hydrogène (liquide)

À quoi sert exactement l’hydrogène ? Actuellement, l’hydrogène (liquide) est principalement utilisé et exploré dans les industries suivantes :

  • L’industrie spatiale, notamment en tant qu’agent propulseur pour les fusées spatiales. Combiné à de l’oxygène liquide (comme oxydant), l’hydrogène peut générer l’énorme puissance nécessaire au lancement d’une fusée spatiale.
  • L’industrie maritime montre un intérêt croissant pour l’hydrogène en tant que vecteur énergétique durable (via les piles à combustible). Afin d’atteindre les objectifs de l’UE en matière de réduction des émissions de CO2, le passage des combustibles fossiles aux combustibles sans CO2 est obligatoire pour cette industrie.
  • L’industrie aéronautique travaille sans relâche sur des modèles de moteurs d’avion fonctionnant à l’hydrogène. Les premiers modèles pilotes devraient être construits vers 2030, mais les nouveaux modèles d’avions ne seront pas mis en service avant 2040.
  • Le secteur du transport routier, qui comprend le transport de marchandises et de passagers. On a récemment mis au point des voitures particulières et des camions qui utilisent l’hydrogène comme source d’énergie. Toutefois, l’utilisation de l’hydrogène pour le transport de marchandises ne devrait pas décoller avant 2025. Des essais d’utilisation de l’hydrogène comme source d’énergie pour les moteurs à combustion interne sont également en cours.
  • Lesecteur industriel, dans lequel l’hydrogène sert de matière première fondamentale pour la production d’ammoniac et de matières plastiques. L’hydrogène est également utilisé pour fabriquer des produits pétroliers et du méthanol.
  • Lesecteur de l’énergie, dans lequel l’hydrogène peut être utilisé à la fois pour refroidir les générateurs des centrales électriques et pour stabiliser le réseau électrique. L’hydrogène est stocké et utilisé dans des piles à combustible, qui fournissent une réserve d’énergie stable, ce qui permet d’optimiser le temps de fonctionnement.

Si les industries susmentionnées sont actuellement les principaux utilisateurs d’hydrogène et les plus intéressés par ce produit, de nombreux autres secteurs utilisent ce gaz polyvalent. Par exemple, l’industrie alimentaire utilise l’hydrogène pour transformer les graisses insaturées en huiles et graisses saturées.

Le secteur industriel, entre autres, utilise également l’hydrogène pour produire du fer ; l’hydrogène est utilisé pour le soudage à l’hydrogène atomique (AHW). L’industrie électronique utilise l’hydrogène pour divers composants électroniques, et dans le secteur médical, l’hydrogène est utilisé pour fabriquer du peroxyde d’hydrogène (H2O2).

Comme indiqué précédemment, dans de nombreuses industries, l’hydrogène est utilisé sous sa forme gazeuse mais stocké et transporté sous forme liquide. Cependant, il existe également plusieurs applications pour l’hydrogène liquide :

  • L’industrie aérospatiale est l’un des principaux utilisateurs d’hydrogène liquide. Comme indiqué précédemment, cette industrie utilise l’hydrogène liquide pour lancer des fusées.
  • Actuellement, la supraconductivité (état dans lequel un matériau ne présente pratiquement aucune résistance lorsqu’il transporte de l’électricité) suscite un intérêt croissant, dans lequel l’hydrogène liquide joue un rôle important. Cela fournit une autre utilisation potentielle pour le gaz liquide.
  • Enfin, le développement de camions plus lourds et de navires à grande autonomie envisage également l’utilisation d’hydrogène liquide dans les réservoirs.
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Les risques de l’hydrogène (liquide)

L’utilisation de l’hydrogène, que ce soit sous forme gazeuse ou liquide, n’est pas sans risque. Lorsque l’hydrogène réagit avec la bonne quantité de gaz oxygène, une quantité massive d’énergie est libérée, provoquant une explosion. En outre, l’hydrogène a une température de combustion relativement basse et est donc hautement inflammable.

En outre, l’hydrogène étant incolore et inodore, une fuite dans un système est difficile à détecter. Même une flamme d’hydrogène est presque invisible, et donc difficile à éteindre. L’hydrogène liquide est également extrêmement froid (-252,9 centigrades) et provoque la congélation au contact. Enfin, l’oxygène peut se condenser si l’hydrogène n’est pas suffisamment isolé, ce qui constitue un risque accru d’incendie.

La comparaison des risques ci-dessus avec d’autres combustibles fait l’objet d’un débat. En fait, les recherches montrent que l’hydrogène présente un risque d’incendie légèrement supérieur à celui de l’essence ou du gaz naturel. Il reste à voir ce que ce risque accru signifie pour l’avenir de l’hydrogène. Cependant, tous les autres combustibles ne sont pas non plus sans danger, et avec l’infrastructure et les informations appropriées, l’hydrogène peut être géré correctement et en toute sécurité.

Heureusement, l’hydrogène est utilisé depuis longtemps dans diverses industries, et les infrastructures et les mesures de sécurité se sont considérablement améliorées au cours des dernières décennies. Il existe désormais des capteurs sophistiqués qui indiquent immédiatement une fuite d’une infrastructure. Les réservoirs d’hydrogène, les pipelines et les applications sont également soumis à des normes d’essai rigoureuses. Ces équipements sont exposés à des pressions élevées et à des températures extrêmes avant d’être mis en service.

Avec l’infrastructure adéquate en place, l’hydrogène peut être géré en toute sécurité et sans problème si l’utilisateur final manipule également le gaz de manière responsable. À cet égard, la fourniture d’informations correctes joue un rôle important. Plus l’utilisateur suit les instructions et est conscient des dangers possibles, plus le risque est faible.

Isolation pour l’hydrogène liquide

L’hydrogène liquide exige une qualité d’isolation supérieure à celle de certains autres gaz liquides. La principale raison en est la température extrêmement basse du gaz. Si, par exemple, l’hydrogène est transporté dans une ligne de transfert avec une isolation en mousse, une petite rupture dans la mousse peut être la source de condensation de l’oxygène en raison du froid extrême émis par l’hydrogène liquide. Un incendie ou une explosion se produira si cet oxygène condensé entre en contact avec de l’hydrogène ou tout autre matériau combustible.

Heureusement, il existe une forme d’isolation qui permet une isolation optimale. La méthode de la technologie du vide est la solution pour transporter, stocker et utiliser l’hydrogène liquide en toute sécurité. L’isolation sous vide est jusqu’à 15 fois meilleure que les autres matériaux d’isolation (par exemple, PIR/PUR, ou Foamglas, Armaflex, Perlite et Misselon) et peut être utilisée pour les tuyaux ainsi que pour les raccords, les réservoirs et les équipements cryogéniques.

La technologie du vide utilise le vide ou le vide poussé pour isoler de manière optimale les lignes ou systèmes de transfert. Un environnement sous vide est créé en encapsulant ces lignes ou systèmes avec une double paroi et en mettant sous vide l’espace entre les deux parois. Le vide garantit qu’aucun transfert de chaleur ne peut se produire (puisque la plupart des molécules ont été extraites) entre l’extérieur chaud et l’intérieur froid.

L’isolation sous vide pour les systèmes à hydrogène est non seulement sûre, mais répond également aux exigences strictes des infrastructures à hydrogène. Par exemple, les lignes de transfert d’hydrogène liquide sur les navires doivent être équipées d’un double confinement pour plus de sécurité (en cas de fuite de la ligne de traitement, le double confinement sera en place). Si les canalisations sont pourvues d’une isolation sous vide, le tube à vide fonctionne aussi directement comme un double confinement. L’isolation sous vide fait donc d’une pierre deux coups.

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Une ligne de transfert isolée sous vide.

Les solutions de Demaco pour l’hydrogène liquide

Chez Demaco, nous croyons en l’avenir de l’hydrogène vert. En fait, nous sommes à l’avant-garde de la recherche des meilleures infrastructures d’hydrogène. Pendant des décennies, nous avons expérimenté des prototypes, nous nous sommes engagés dans des projets pionniers et nous avons fourni la preuve de concept pour des projets et des produits avancés.

Nous travaillons avec les principaux acteurs du marché de l’hydrogène et sommes affiliés à Hydrogen Europe. Cette association représente les intérêts de l’industrie de l’hydrogène et des piles à combustible et, avec des centaines d’entreprises et d’associations, elle s’engage en faveur de l’avenir de l’hydrogène dans une société à zéro émission. Grâce à notre collaboration avec Hydrogen Europe, non seulement nous suivons de près tous les développements, mais nous participons aussi activement à la recherche et à la prise de décision. Cela fait de nous des experts dans le domaine de l’hydrogène et nous permet de le rester.

Demaco est également un fournisseur clé en main pour des projets d’hydrogène dans le monde entier. Nous sommes impliqués dès le premier concept et offrons notre soutien depuis l’esquisse initiale, la conception détaillée, l’ingénierie, la production, la livraison, le montage, la supervision, la mise en service et, enfin, la maintenance et la certification de l’infrastructure et de ses équipements.

Naturellement, tous nos projets sont réalisés avec les meilleurs matériaux, sont soigneusement isolés sous vide et suivent des normes de conception technique strictes concernant les risques d’explosion dans des conditions atmosphériques (ATEX). Par conséquent, nous pouvons minimiser les risques mentionnés liés à l’hydrogène. En outre, Demaco est certifié par le DNV pour les applications à bord des navires.

Actuellement, nous proposons au marché de l’hydrogène les produits et solutions suivants :

  • A. Stations de remplissage et quais de chargement pour les camions
  • B. Bras de chargement isolés sous vide pour navires
  • C. Lignes de transfert isolées sous vide entre un réservoir ou un liquéfacteur et l’application à bord des navires et sur terre.
  • D. Boîtes de distribution isolées sous vide
  • E. Purificateurs d’hydrogène
  • F. Liquéfacteurs d’hydrogène à petite échelle

Nous sommes fiers des connaissances et de l’expérience que nous avons accumulées au cours des dernières décennies. Parce que nous travaillons avec l’hydrogène depuis si longtemps, nos méthodes, produits et infrastructures ont été largement testés et optimisés. Nous sommes en mesure de proposer une technologie éprouvée chaque fois qu’un (nouveau) client vient nous voir pour une solution.

Il reste encore un long chemin à parcourir avant que l’économie de l’hydrogène de Bockris ne devienne réalité. Mais nous, nous sommes prêts !

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Un projet récent de Demaco : Une maquette de moteur d'avion refroidi à l'hydrogène liquide

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Pour en savoir plus sur notre travail, consultez nos produits et services. Pour plus d’informations sur l’hydrogène liquide, veuillez consulter notre page sur l’hydrogène liquide.

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