Compresseur d’hydrogène pour intégration à un électrolyseur

Comprendre les compresseurs d’hydrogène

Un compresseur d’hydrogène est une machine qui facilite le stockage, le transport ou l’utilisation de l’hydrogène en augmentant la pression du gaz. La compression consiste à faire passer l’hydrogène d’une basse pression à une pression plus élevée au moyen d’équipements mécaniques, tels qu’un piston, une membrane ou un compresseur centrifuge. Ces compresseurs volumétriques sont conçus pour traiter l’hydrogène sans perte notable de gaz, voire sans aucune perte. Ils visent à réduire les risques liés aux petites molécules très mobiles de l’hydrogène et à éviter presque toute fuite. En outre, ils sont fabriqués à partir de matériaux avancés et dotés de joints adaptés aux hautes pressions. Dans les systèmes destinés aux collectivités, ils constituent généralement des équipements essentiels à l’encombrement important.

Qu’est-ce qu’un compresseur d’hydrogène ?

Un compresseur d’hydrogène est un appareil mécanique conçu pour comprimer l’hydrogène gazeux afin d’en augmenter la pression et le débit pour diverses applications industrielles, de transport et de stockage. Ces systèmes sont considérés comme des composants essentiels de l’économie de l’hydrogène, car ils permettent notamment de faire fonctionner des piles à combustible, d’alimenter des stations de ravitaillement en hydrogène et de stocker l’hydrogène sous forme comprimée ou liquéfiée avant son transport vers un autre lieu.

Les compresseurs d’hydrogène les plus récents intègrent des technologies avancées. Ils utilisent des systèmes d’étanchéité de précision, résistent aux températures et aux pressions élevées et disposent de méthodes de refroidissement actives et efficaces pour relever les défis liés aux propriétés de l’hydrogène, un gaz léger et peu perméable. Leur fonctionnement facilite la maintenance et la manipulation de l’hydrogène, dont les propriétés présentent des risques, en particulier dans les applications énergétiques et le stockage d’énergie à haute pression.

Principes de la compression de l’hydrogène

La compression de l’hydrogène consiste essentiellement à réduire le volume qu’il occupe afin d’en augmenter la pression, selon ses propriétés thermodynamiques. La très petite taille et la faible masse des molécules d’hydrogène compliquent la compression : elles tendent à migrer le long des parois du récipient sous pression, le gaz offre très peu de résistance interne et les molécules peuvent s’échapper à travers les parois. En règle générale, les équipements utilisés à cette fin sont soit des compresseurs volumétriques, comme les compresseurs alternatifs et à membrane, soit des compresseurs centrifuges, qui sont dynamiques. Chaque compresseur est conçu pour répondre aux conditions requises, notamment en matière de pression admissible, de consommation d’énergie et, parfois, de variation du débit.

Les progrès réalisés dans les matériaux des compresseurs d’hydrogène ont amélioré leur durée de vie et leurs performances globales. L’introduction de nouveaux alliages et revêtements permet notamment de réduire les frottements et de prévenir la pollution. Il faut garder à l’esprit que l’hydrogène peut traverser de nombreux matériaux. Cependant, des technologies d’étanchéité spécialisées permettent d’utiliser les équipements à des pressions supérieures à 700 bar, une pratique courante dans les systèmes de stockage et de ravitaillement en hydrogène. Les systèmes de commande permettent aussi de gérer plus précisément les mécanismes de compression, ce qui réduit la puissance apparente nécessaire et renforce les marges de sécurité conformément aux normes applicables aux vecteurs énergétiques.

Les différents types de compresseurs d’hydrogène

Importance de la compression de l’hydrogène dans les systèmes d’électrolyse

Dans un système d’électrolyse, la compression de l’hydrogène joue un rôle essentiel pour garantir l’efficacité de la technologie. Un électrolyseur est un équipement qui produit des gaz, en particulier de l’hydrogène et de l’oxygène, en décomposant les molécules d’eau casuí en leurs éléments constitutifs. Cependant, pour certaines applications, comme le stockage dans des réservoirs à haute pression ou l’injection d’hydrogène dans des gazoducs, l’hydrogène produit à basse pression peut être peu utile. La compression augmente sa pression et permet un stockage compact et économique. Elle permet également d’adapter la pression de l’hydrogène aux besoins de diverses applications industrielles et énergétiques, comme les piles à combustible. Ces autres systèmes ont des limites de pression ou exigent une pression donnée ; il est donc judicieux de comprimer le gaz jusqu’à la pression limite.

Rôle des compresseurs dans la production d’hydrogène

Les compresseurs jouent un rôle important dans la production et le transport efficaces de l’hydrogène. Selon le mode de production, par exemple l’électrolyse ou le reformage du méthane à la vapeur (SMR), ils interviennent à différentes étapes du procédé. Dans un électrolyseur, par exemple, l’hydrogène est produit à basse pression ; un compresseur peut être nécessaire pour augmenter sa pression en vue du stockage, du transport ou de son utilisation dans une pile à combustible pour produire de l’électricité. Les compresseurs récents, notamment ceux à membrane et à pistons, conviennent bien à l’hydrogène, un gaz peu dense qui ne contamine pas les matières avec lesquelles il entre en contact en cas de fuite.

En outre, les progrès récents dans le stockage de l’hydrogène ont facilité sa mise en œuvre en réduisant les arrêts liés à la consommation d’énergie et à la dégradation des matériaux. Des compresseurs à haut rendement, associés à des systèmes d’étanchéité spécialement conçus et à des matériaux avancés, permettent désormais de limiter la consommation d’énergie et l’usure des matériaux. Les mesures de pression couvrant toute la plage des spécifications industrielles réduisent les obstacles au stockage et au transport de l’hydrogène comprimé, notamment les risques pour la santé et la sécurité propres aux installations telles que les stations de ravitaillement en hydrogène et les réseaux de distribution industriels. L’avenir des technologies de compression dépendra de l’essor de l’hydrogène dans la décarbonation.

Procédés de purification et conséquences

L’hydrogène étant destiné à servir de source d’énergie sous une forme pure, certaines applications très exigeantes, comme la production d’électricité par pile à combustible, nécessitent un hydrogène de grande pureté. Ces applications non standard requièrent diverses techniques de purification, telles que l’adsorption modulée en pression (PSA), la séparation par membrane et la distillation cryogénique, pour éliminer les impuretés nocives comme le dioxyde de carbone, le méthane, l’azote et la vapeur d’eau. Dans le cas du PSA, par exemple, des matériaux adsorbants sont utilisés sous haute pression pour isoler les impuretés de manière sélective et atteindre des niveaux de pureté pouvant aller jusqu’à 99,999 %.

Ces procédés sont très importants et présentent des avantages considérables, tant pour l’environnement que pour les finances des utilisateurs. Les technologies de purification de l’hydrogène permettent de satisfaire aux exigences environnementales et de réduire les contraintes, tout en améliorant la rentabilité des installations de production d’hydrogène. Les entreprises qui les adoptent respectent les exigences relatives à la teneur minimale en impuretés nocives définies dans des normes telles que ISO 14687. Le respect de ces normes est essentiel au bon fonctionnement des piles à combustible qui utilisent l’hydrogène comme vecteur énergétique.

Solutions de stockage à haute pression

Les systèmes de stockage à haute pression jouent un rôle majeur dans l’utilisation sûre et efficace des piles à combustible à hydrogène dans différents secteurs, notamment le transport terrestre et certaines industries. Ils sont conçus et installés pour maintenir une pression généralement comprise entre 350-700 bar. Cette configuration assure une densité énergétique de stockage relativement élevée et une utilisation optimale de l’espace dans un volume compact. La conception des réservoirs à haute pression fait appel à des matériaux composites, comme les fibres de carbone renforcées, qui allient faible poids et résistance aux dommages dans des conditions de fonctionnement difficiles.

L’intensification de la recherche et du développement a permis de mettre au point des technologies de stockage à haute pression de pointe, conçues pour améliorer les performances et la sécurité à un coût abordable et répondre à des normes telles que ISO/TS 15869. Ces avancées reposent notamment sur l’emploi de différents matériaux pour fabriquer des réservoirs multicouches, qui font obstacle à la perméation de l’hydrogène. Leur conception optimisée contribue également à prévenir la dégradation de la résistance lors de la méthode de balayage. Enfin, l’intégration de systèmes de surveillance intelligents, en complément des dispositifs de fermeture destinés à limiter les fuites, permet de mesurer avec précision et en temps réel la pression et la température.

Progrès technologiques des compresseurs d’hydrogène

Les rapports consacrés aux progrès des compresseurs d’hydrogène mettent l’accent sur les économies d’énergie. Aujourd’hui, ces compresseurs utilisent la compression isotherme, une technologie améliorée qui permet de réaliser d’importantes économies d’énergie. Leur durabilité a aussi progressé grâce à l’emploi d’alliages avancés à haute résistance et de revêtements limitant l’usure. Le coût total sur une période donnée s’en trouve ainsi considérablement réduit.

La sécurité reste au premier plan des préoccupations liées aux technologies de compression de l’hydrogène. Le renforcement des systèmes de sécurité redondants, tels que les dispositifs de protection contre les surpressions, prévient les surcharges et arrête l’unité à l’approche de niveaux critiques. La présence ou l’absence d’un détecteur d’hydrogène gazeux conditionne l’utilisation de gaz à haute pression.

Innovations dans la conception des compresseurs

La conception de compresseurs performants passe par l’amélioration de leur rendement, de leur fiabilité et de leur compatibilité environnementale, tout en tenant compte des besoins énergétiques actuels. Pour certaines raisons, l’efficacité du frottement magnétique ou sa suppression au moyen de paliers magnétiques ne sont peut-être pas immédiatement exploitables dans ce cas. Une telle configuration permet de réduire les temps d’arrêt, les coûts d’exploitation et la complexité de la maintenance. L’utilisation de matériaux composites avancés à la place des composants métalliques traditionnels gagne notamment en popularité. Ces matériaux présentent un rapport résistance-poids supérieur ainsi qu’une meilleure résistance à la température et aux produits chimiques, ce qui rend les compresseurs plus durables et plus économes en énergie.

Amélioration du rendement et de la fiabilité

Les progrès des technologies des matériaux ont considérablement amélioré les performances et la fiabilité des systèmes de compression de l’hydrogène. L’emploi d’alliages à haute résistance et de matériaux composites a notamment permis de fabriquer des composants offrant une forte résistance à la traction ainsi qu’une bonne résistance à la corrosion et à la chaleur par rapport aux matériaux précédents. Ces matériaux supportent les pressions et températures extrêmes de l’hydrogène fissuré, ce qui limite la fatigue et prolonge la durée de vie des pièces essentielles.

Il convient également de mentionner les revêtements réfractaires efficaces et les autres équipements installés pour réduire les pertes d’énergie dans des conditions extrêmes. Les méthodes révolutionnaires de création de nouveaux métaux et d’aciers améliorés ont transformé les procédés de fabrication dans différents secteurs de production. Elles contribuent aussi à réduire les besoins de maintenance régulière et à assurer le fonctionnement continu des installations, même dans les conditions environnementales les plus extrêmes, tout en maîtrisant les coûts d’exploitation.

Rentabilité des solutions de compression

Pour améliorer la productivité et la rentabilité, les compresseurs atteignent de meilleures performances grâce à une installation facilitée, à une durée de vie accrue et à une plus grande adaptabilité à des conditions variées. Les compresseurs à variateur de fréquence, par exemple, ajustent précisément la puissance consommée aux besoins réels du système, réduisant ainsi les pertes d’énergie et les coûts d’exploitation associés. Il a été établi que les compresseurs à vitesse variable consomment environ 35 % moins d’énergie que les compresseurs à vitesse fixe, ce qui en fait une solution pertinente pour les industries soucieuses de durabilité.

Les technologies de maintenance et les systèmes de surveillance prédictive contribuent aussi à améliorer l’utilisation des équipements et à prolonger leur durée de vie. À partir des données de performance en temps réel, les modèles d’apprentissage automatique peuvent anticiper les défaillances probables. Cela permet de remettre les équipements en état, notamment dans le cadre de la maintenance préventive, et de réaliser des économies supplémentaires. Des améliorations mesurées de la sécurité d’exploitation favorisent le fonctionnement efficace des installations industrielles.

Enfin, les matériaux légers et résistants à la corrosion offrent une solution qui limite la dégradation par fatigue, préserve les performances et contribue à réduire les coûts. Pris ensemble, ces progrès technologiques permettent d’atteindre une capacité de production dynamique et de tirer le maximum d’avantages à moindre coût et dans des délais très courts, sans compromettre les intérêts environnementaux et économiques.

Applications de la compression de l’hydrogène dans différents secteurs

Transports et solutions de mobilité

La demande accrue en sources d’énergie plus propres et la prise de conscience croissante des possibilités de stockage et de distribution de l’hydrogène liquide contribuent à cette évolution du secteur des transports. La plupart de ces applications concernent toutefois les véhicules électriques à pile à combustible (FCEV), dont l’adoption progresse dans l’automobile, le transport de marchandises et les transports en commun. Les nouveaux modèles en cours de développement chez les grands constructeurs automobiles sont de plus en plus nombreux à fonctionner à l’hydrogène. Il s’agit, par exemple, de véhicules électriques intégrant un moteur à combustion interne, à des dizaines de kilomètres de portée pour les passagers.

Parmi les véhicules à hydrogène adaptés aux longues distances figurent les bus, les camions, les trains et, plus rarement, les navires. Le recours à ces véhicules lourds, notamment aux camions à hydrogène pour le transport longue distance, peut aussi réduire considérablement la dépendance aux combustibles fossiles. Des emplacements pour des stations de ravitaillement en hydrogène ont été déterminés de manière stratégique dans le monde entier, notamment dans des pays de premier plan comme le Japon, l’Allemagne et les États-Unis. Des navires et des aéronefs ont également adopté des systèmes de production d’énergie à base d’hydrogène afin de réduire les émissions de CO2 des moteurs et de respecter les lois et réglementations environnementales.

Applications de stockage de l’énergie

L’hydrogène est essentiel à la réussite des systèmes de stockage de l’énergie grâce à sa forte densité énergétique et à sa polyvalence. Différentes méthodes de stockage de l’hydrogène, comme le stockage sous forme de gaz sous pression, le stockage cryogénique sous forme liquide et le stockage dans des matériaux solides tels que les hydrures métalliques, sont ainsi conçues pour répondre à des applications particulières. L’hydrogène constitue notamment un vecteur d’énergie renouvelable qui facilite l’utilisation de l’énergie solaire et éolienne intermittente. Il est produit pendant la journée, lorsque les installations solaires et éoliennes génèrent de l’électricité, puis sert à stocker l’énergie renouvelable.

La capacité de stockage de l’hydrogène vert augmente rapidement, sous l’effet de la hausse des investissements et de politiques favorisant la réduction des émissions liées au carbone. En outre, l’interconnexion des installations de stockage devrait se développer avec l’adoption de nouvelles technologies, ce qui contribuerait à réduire les coûts et à améliorer le rendement de l’hydrogène, renforçant ainsi son intérêt comme solution de remplacement pour l’approvisionnement énergétique à grande échelle. L’intégration de l’hydrogène aux systèmes énergétiques peut améliorer la souplesse d’exploitation sans compromettre les autres objectifs environnementaux.

Applications dans l’industrie manufacturière

Dans le secteur industriel, l’hydrogène joue un rôle important dans la transformation de la production manufacturière vers des méthodes durables et efficaces. La sidérurgie en est un exemple : l’hydrogène y sert d’agent réducteur à la place du coke ou du charbon, ce qui réduit considérablement les émissions de dioxyde de carbone. Il intervient également dans la synthèse de l’ammoniac destiné aux engrais agricoles et à diverses autres industries chimiques. L’arrivée d’électrolyseurs plus efficaces rend plus envisageable la production écologique d’hydrogène vert destiné à servir de combustible dans l’industrie. Les données montrent que l’utilisation de l’hydrogène gazeux augmente à l’échelle mondiale parmi les fabricants, qui cherchent à décarboner certains secteurs difficiles à décarboner afin d’atteindre la neutralité carbone. Par conséquent, dans les régions disposant de davantage de ressources en énergie propre, les secteurs de l’énergie propre pourraient avoir besoin de vecteurs énergétiques purs supplémentaires pour approvisionner d’autres industries.

Tendances actuelles du marché et perspectives d’avenir

Le marché mondial du transport de l’hydrogène est en plein essor, porté par les investissements considérables dans les énergies renouvelables et la volonté de rendre les activités industrielles plus propres. Dans ce contexte, l’hydrogène sans vie (vert) est la principale option envisagée : il est produit par électrolyse à partir de sources renouvelables, ce qui pourrait également permettre de ne générer aucune émission. Parallèlement, les autorités de régions telles que l’Union européenne et l’Asie-Pacifique ont mis en place des mesures nuisibles, comme des tarifs de rachat garantis, des crédits d’impôt et des directives, et les défenseurs de cette énergie verte ont suscité certaines controverses par le passé.

Dans un avenir proche, le marché devrait croître à mesure que les innovations technologiques réduiront les coûts de production et que la capacité des installations de production d’hydrogène augmentera. Les analyses du marché indiquent que la demande d’infrastructures va s’intensifier : des pipelines, des installations de stockage d’hydrogène et même des stations de ravitaillement seront nécessaires pour en faire un usage efficace. Par ailleurs, les efforts liés à l’économie de l’hydrogène se concentrent sur les transports, l’industrie manufacturière et l’aviation, ces secteurs devant adopter des approches plus respectueuses de l’environnement.

Demande du marché pour les technologies de l’hydrogène

La demande de technologies de l’hydrogène augmente rapidement, portée par une forte dynamique mondiale en faveur de la décarbonation et de la transition vers une consommation d’énergie propre. Selon diverses études sectorielles, le marché de l’hydrogène devrait croître au cours de la prochaine décennie et atteindre une valeur de plusieurs centaines de milliards de dollars. Les politiques des pays visent à favoriser l’utilisation de l’hydrogène afin qu’il remplace les sources d’énergie actuelles. Les secteurs public et privé s’intéressent de plus en plus à l’hydrogène et investissent davantage dans ce secteur, ce qui accélère le développement et l’utilisation des technologies et des systèmes liés à l’hydrogène.

Dans certaines régions, les piles à combustible à hydrogène sont particulièrement plébiscitées, notamment dans des secteurs comme le transport de marchandises et les transports publics, où les émissions posent problème et où il faut parcourir de longues distances. Leur capacité à fonctionner sans émissions est un atout. Dans les usines, l’hydrogène tend à remplacer les pierres ; l’industrie métallurgique l’utilise désormais pour le traitement du fer, afin d’économiser du charbon lors de la production de minerai de fer et d’acier.

Les préoccupations croissantes concernant l’environnement et le rôle des sources d’énergie propre constituent un autre facteur qui stimule cette demande. Elles entraînent une hausse de la demande pour ce que l’on appelle l’hydrogène vert, produit à partir de sources d’énergie renouvelables, en particulier l’éolien et le solaire. Il convient également aux pays qui souhaitent réduire leurs émissions nettes de gaz à effet de serre. L’alimentation électrique du réseau et le stockage d’hydrogène pour assurer une mise à la terre en cas de panne de courant ont contribué au développement de ce concept.

Prévisions des experts et innovations à venir

Selon les spécialistes, les progrès des techniques de production de l’hydrogène, c’est-à-dire sa production par électrolyse à partir d’électricité renouvelable, feront baisser les coûts au cours des dix prochaines années. Cette baisse devrait considérablement accroître l’utilisation de produits et de services industriels et domestiques. Par ailleurs, les progrès réalisés dans les pipelines et les systèmes de transport de l’hydrogène, notamment les vecteurs d’hydrogène organique liquide (LOHC) et les réservoirs cryogéniques avancés, devraient rendre ces systèmes moins encombrants et mieux adaptés à une demande croissante.

Les piles à combustible à hydrogène constituent une autre évolution à prendre en compte. Elles progressent rapidement et gagnent chaque jour en efficacité énergétique et en qualité. Elles peuvent déjà être considérées comme le moyen de transport à privilégier pour les longues distances ou les activités industrielles lourdes. On envisage également la création d’un réseau d’importation et d’exportation d’hydrogène. Le Moyen-Orient et certaines régions d’Australie, en particulier, disposeraient d’installations produisant de l’hydrogène à partir de sources renouvelables qui, dans la mesure du possible, serait « vert ».

Parallèlement, des recherches approfondies ont montré qu’il est possible de mélanger de l’hydrogène au gaz naturel, même dans les systèmes de transport de gaz existants, afin de créer des installations hybrides. Cette solution devrait optimiser l’efficacité organisationnelle tout en réduisant l’utilisation des combustibles fossiles. Ces prévisions soulignent l’importance de l’hydrogène dans le bouquet énergétique, en pleine transformation, et les efforts considérables consacrés à l’émergence des sources d’énergie verte.

Sources de référence

Foire aux questions (FAQ)