L'économie de l'hydrogène est essentielle aux efforts de décarbonation

La compression est nécessaire tout au long de la chaîne de valeur de l'hydrogène. (Illustration : EFRC.)

L'économie de l'hydrogène n'est pas une perspective utopique et lointaine, mais une réalité de plus en plus concrète, ont affirmé des ingénieurs lors d'un webinaire récent. Face à cette évolution, le secteur de la compression a enregistré une nette augmentation des commandes de compresseurs d'hydrogène ces derniers mois.

« L’économie de l’hydrogène n’est plus un projet d’avenir. Nous en sommes témoins dès maintenant », a déclaré Lennert Buijs, chef de projet chez TNO, lors d’un récent webinaire organisé par le Forum européen des compresseurs alternatifs.

L'EFRC a récemment publié un livre blanc intitulé « Compression de l'hydrogène : dynamiser l'économie de l'hydrogène » afin d'analyser le développement de la compression de l'hydrogène en Europe. Un webinaire a été organisé récemment pour présenter les principaux points de ce document.

Le document de l'EFRC présente les avantages et les inconvénients relatifs des différents systèmes de compression utilisés dans l'économie de l'hydrogène. L'organisation met en lumière les technologies de compression d'hydrogène existantes et les avancées réalisées en Europe qui favorisent la transition vers une économie de l'hydrogène vert.

Le livre blanc et le séminaire ont présenté les différents types de compresseurs disponibles pour la compression de l'hydrogène, ainsi que leurs avantages et inconvénients respectifs. La chaîne de valeur de l'hydrogène se divise en trois étapes : la production, le transport et le stockage, et l'utilisation finale. La compression est nécessaire à chaque étape de cette chaîne.

Une fois produit, l'hydrogène est comprimé et acheminé vers un système de transport. Il peut être injecté dans un pipeline, ce qui nécessite également une compression pour transporter les molécules jusqu'à un autre endroit. Il peut aussi être transporté par camion, mais la compression est alors également nécessaire, et généralement à des pressions encore plus élevées que dans les pipelines.

L'industrie a besoin de compression pour le stockage dans des réservoirs ou dans des installations de stockage souterrain de gaz . Dans les deux cas, le stockage permet d'atténuer l'intermittence de la production et de la consommation d'hydrogène, indique l'article.

La consommation d'hydrogène, troisième maillon de la chaîne de valeur, peut également nécessiter une compression répondant à des critères spécifiques selon l'application. L'hydrogène peut être utilisé pour la production d'électricité, comme matière première ou comme carburant pour véhicules.

L’Europe poursuit ses efforts avec de nombreux projets hydrogène visant à réduire sa dépendance aux hydrocarbures. « Nous constatons actuellement de nombreux projets en développement », a déclaré René Peters, l’un des intervenants du récent webinaire.

L’Union européenne, dans son Pacte vert, attribue un rôle important à l’hydrogène et à l’électricité dans son futur système énergétique. Aux Pays-Bas, par exemple, environ 160 projets devraient permettre de produire à terme 12 GW d’hydrogène vert d’ici 2030, a-t-il indiqué.

Les Pays-Bas se sont également engagés à construire un réseau de pipelines d'hydrogène qui serait relié à un réseau similaire en Allemagne et en Belgique, ainsi qu'à des sites offshore. La compression serait nécessaire tout au long du réseau, a-t-il précisé.

L'Europe aura également besoin de systèmes de compression pour le nombre croissant de stations de ravitaillement en hydrogène, qui devront fournir de l'hydrogène de haute pureté à une pression de 350 à 700 bars afin d'alimenter les véhicules particuliers et les poids lourds. L'Allemagne compte 93 stations en service et 50 autres en construction. Les Pays-Bas, la Belgique, le Danemark, la Norvège et la Suisse disposent également d'un nombre croissant de stations de ravitaillement.

« Nous constatons un déploiement massif de stations de ravitaillement en hydrogène en Europe », a déclaré Buijs. « Le nord-ouest de l'Europe est rapidement entièrement couvert par les véhicules à pile à combustible et les poids lourds à hydrogène . »

Certains opérateurs du secteur intermédiaire tentent d'utiliser des cavernes salines et des gisements de gaz épuisés pour le stockage à grande échelle d'hydrogène. Jusqu'à 250 GW d'hydrogène pourraient être stockés dans des cavernes salines. « Le stockage est essentiel pour garantir un marché. Les cavernes sont nécessaires pour assurer la sécurité d'approvisionnement », a-t-il déclaré.

Différents types de compresseurs

L'article et le webinaire ont souligné que différents types de compresseurs peuvent être utilisés pour l'hydrogène et que certains sont plus adaptés que d'autres selon l'application. L'étude a comparé différents types de compresseurs en termes de capacité, de fiabilité, de pression finale, de pureté du gaz, d'efficacité, de flexibilité de fonctionnement, de pulsations, de vibrations et de bruit.

Les compresseurs alternatifs sont parmi les plus répandus car ils offrent une large gamme de pressions et de débits. Leur fiabilité est éprouvée depuis des décennies dans les raffineries. Ce sont des machines généralement polyvalentes qui s'adaptent bien aux variations des conditions de process et peuvent être réduites avec une grande efficacité. Les compresseurs alternatifs peuvent être lubrifiés ou non lubrifiés.

L'un des inconvénients des compresseurs alternatifs réside dans le grand nombre de pièces d'usure qui nécessitent un entretien et un remplacement périodique. Le taux de compression par étage étant relativement limité, plusieurs étages sont souvent nécessaires pour atteindre une pression de gaz plus élevée. De plus, les compresseurs alternatifs génèrent un flux de gaz pulsatoire susceptible d'engendrer des vibrations qu'il convient de maîtriser.

Les compresseurs alternatifs sont l'option la plus courante pour le transport de l'hydrogène par pipeline . Ils sont également fréquemment utilisés pour le stockage souterrain d'hydrogène, qui nécessite généralement une pression comprise entre 200 et 300 bars. Les conditions d'utilisation peuvent varier et les injections et soutirages peuvent avoir lieu plusieurs fois par jour.

Les compresseurs à membrane et hydrauliques sont des machines volumétriques qui ont fait leurs preuves dans les applications à hydrogène . Ils sont particulièrement adaptés aux stations de ravitaillement en hydrogène car ils garantissent une grande pureté du gaz et permettent d'atteindre des taux de compression plus élevés par étage. Ils présentent toutefois des limitations : leur capacité est généralement inférieure à celle des compresseurs à piston. De plus, leur utilisation et leur maintenance régulière sont essentielles pour une fiabilité optimale. Le remplacement d'une membrane dans un compresseur à membrane est une opération relativement longue comparée au remplacement de pièces dans les compresseurs hydrauliques.

Les compresseurs à vis sont des machines volumétriques qui réduisent le volume de gaz grâce à un système formé par deux rotors en rotation. L'un de leurs avantages est leur vitesse de rotation généralement plus élevée que celle des compresseurs à piston, ce qui leur confère une capacité supérieure à encombrement égal. Les compresseurs à vis comportent peu de pièces d'usure, ce qui réduit les besoins en maintenance préventive par rapport aux compresseurs à piston.

Cependant, les compresseurs à vis ont une capacité inférieure à celle des compresseurs à piston et leur efficacité pour l'hydrogène est limitée en raison de leur pression de refoulement relativement faible, généralement comprise entre 30 et 40 bars. De plus, les compresseurs à vis génèrent des pulsations en sortie, souvent à une fréquence plus élevée que les compresseurs à piston.

Les compresseurs centrifuges utilisent une roue à aubes pour accélérer et comprimer les gaz. Ils sont considérés comme une technologie éprouvée pour les applications riches en hydrogène, telles que les hydrocraqueurs dans les raffineries. Cependant, l'étude a révélé qu'ils ne sont pas adaptés aux applications nécessitant de l'hydrogène pur.

Les compresseurs centrifuges peuvent fonctionner à haute vitesse et offrent une capacité élevée, souvent supérieure à celle des compresseurs à piston de même encombrement. Ils ne comportent aucune pièce d'usure et leurs pulsations sont bien moindres que celles des compresseurs à piston.

Cependant, leur taux de compression par étage est très faible et leur rendement est limité. Ils sont conçus pour fonctionner dans des conditions spécifiques. Si ces conditions changent, leur rendement diminue.

« Les compresseurs centrifuges ont encore un historique très limité en matière d'applications à l'hydrogène pur », a-t-il déclaré.

Enfin, des concepts plus novateurs de compression d'hydrogène, reposant sur des principes non mécaniques, ont également été abordés. Il s'agit notamment de la compression électrochimique et de la compression par hydrures métalliques . Bien que ces technologies n'aient pas encore atteint le niveau de maturité et la capacité des compresseurs mécaniques classiques, elles évoluent rapidement et présentent un intérêt certain pour certaines applications spécifiques de l'hydrogène.

tendances en R&D

L'EFRC a constaté que de nombreux équipementiers investissent massivement dans la recherche et le développement pour les applications de l'hydrogène. On observe par exemple une tendance à l'augmentation de la pression de sortie, notamment pour les compresseurs non lubrifiés nécessaires à l'hydrogène pur.

Une autre tendance de la recherche concerne la fiabilité après des arrêts et démarrages intermittents . Les fabricants s'efforcent d'améliorer la fiabilité des machines dont l'utilisation n'est pas continue. Les stations de ravitaillement en hydrogène en sont un bon exemple : un compresseur fonctionne pendant le ravitaillement d'un véhicule, puis s'arrête une fois le plein effectué.

Un autre axe de recherche concerne la possibilité de recourir à des techniques de compression hybrides afin de combiner les avantages relatifs de chaque type de compresseur. Par exemple, certaines industries étudient la combinaison d'un compresseur à vis à basse pression et d'un compresseur alternatif à haute pression. D'autres étudient l'utilisation d'un compresseur alternatif à basse pression, puis d'un compresseur à membrane à haute pression. Cette combinaison de technologies peut souvent être réalisée sur un seul arbre.

Les fabricants étudient également l'interaction entre les différents équipements utilisés dans les systèmes à hydrogène . Ils cherchent notamment à savoir si un électrolyseur peut être endommagé par les pulsations d'un compresseur alternatif. « Ce sont des questions qui restent encore sans réponse », a déclaré Leonard van Lier, de TNO Energy Transition.

L'étude a abouti à quelques conclusions. L'hydrogène est un élément crucial du processus de décarbonation. Une compression efficace et fiable sera nécessaire tout au long de la chaîne de valeur de l'hydrogène.

Face à cette forte hausse de la demande, les fabricants cherchent à augmenter les capacités et les pressions. Ils étudient également des solutions pour garantir le fonctionnement efficace et fiable des équipements à différentes vitesses, même en cas d'arrêts et de démarrages intermittents.