Transport et stockage de l'hydrogène

Les combustibles fossiles alimentent la plupart des infrastructures actuelles, mais lorsqu'ils sont brûlés, ils émettent des polluants, notamment le dioxyde de carbone. Il s'agit d'un gaz à effet de serre (GES) qui a été associé au réchauffement global et au changement climatique.

En revanche, la combustion de l'hydrogène produit une vapeur d'eau inoffensive et un oxyde nitrique (NOx), sans émettre de dioxyde de carbone ou d'autres polluants, comme le dioxyde de soufre (SOx). En outre, l'hydrogène est compatible avec de nombreuses turbines à gaz naturel existantes avec des moteurs à combustion interne qui peuvent fonctionner à l'hydrogène, au gaz naturel ou à un mélange des deux. Toutefois, l'hydrogène est une substance dangereuse lorsqu'elle est mal utilisée.

Tout d'abord, ses molécules sont les plus petites de tout élément, donc les fuites des réservoirs et des pipelines - qui posent un risque d'incendie et d'explosion - constituent un problème grave. Une attention particulière doit être accordée aux matériaux et aux techniques utilisés pour étanchéifier ces systèmes, tels que les raccords, joints, vannes et autres dispositifs d'étanchéité. Les dispositifs de surveillance de l'environnement, tels que les détecteurs de flamme et détecteurs de gaz combustibles - ou les dispositifs en ligne, tels que les transmetteurs de pression et de température, doivent être utilisés pour détecter des événements anormaux, tels que la perte du contenu. Comme l'hydrogène est diatomique, les nouvelles technologies, comme les détecteurs de gaz à infrarouge souvent utilisés dans les applications de gaz naturel, ne peuvent pas être utilisés pour la détection de gaz d'hydrogène.

Les fuites sont principalement dues à la fragilisation, qui est due au fait que l'acier et d'autres métaux absorbent les atomes d'hydrogène. Ces atomes peuvent se recombiner pour former des molécules d'hydrogène qui se diffusent à travers le métal et forment des bulles qui affaiblissent le matériau, provoquant la fragilisation et la fissuration, même à température ambiante. Il est donc essentiel d'atténuer ces problèmes en spécifiant les matériaux adaptés à l'application.

Le stockage sûr de l'hydrogène est un élément clé du progrès des technologies de l'hydrogène et des piles à combustible.

L'hydrogène peut être stocké physiquement sous forme de gaz comprimé ou liquide cryogénique. L'hydrogène gazeux comprimé est généralement stocké dans des cuves à 350-700 bar (5 000-10 000 psi). L'hydrogène entièrement liquide peut être stocké à environ -253 °C (-423 °F), tandis que l'hydrogène cryo-comprimé peut être stocké à environ -233 °C (-387 °F). Le stockage gazeux exige moins d'équipement et est nettement plus économique, mais le stockage liquide a ses avantages, principalement une densité de stockage d'énergie beaucoup plus élevée

L'hydrogène liquide a longtemps été utilisé comme carburant de fusée pour les lancements spatiaux. Dans l'espace, il a été stocké comme gaz comprimé ou liquide cryogénique dans des cylindres, des tubes et des cuves sphériques. Sous forme gazeuse, l'hydrogène est généralement stocké dans des cylindres. Cependant, les réservoirs sphériques sont préférés pour le stockage de l'hydrogène liquide afin de minimiser la surface, qui est directement liée au transfert de chaleur de l'environnement.

L'hydrogène peut également être stocké dans des matériaux solides à la surface (adsorption) ou à l'intérieur (absorption). Ces procédures sont en cours de développement pour répondre aux besoins en termes de masse volumique du combustible et accroître la sécurité du process car elles réduisent le risque de fuites et de combustion incontrôlée.

Les mesures de sécurité pour tous les systèmes de stockage de l'hydrogène comprennent :

• Stocker dans des zones extérieures bien ventilées et non-fumeurs, à l'écart des structures, des véhicules, de la chaleur, des étincelles et des flammes
• Ne jamais faire glisser, rouler ou tomber les conteneurs de stockage
• Utiliser uniquement des outils anti-étincelants et des équipements antidéflagrants lors de la manipulation de l'hydrogène
• Mettre à la terre tout le matériel et la tuyauterie
• Vérifier régulièrement les fuites dans les systèmes hydrogène en utilisant de l'eau savonneuse, et jamais avec une flamme

Les exigences de stockage de l'hydrogène à haute densité posent des défis importants aux systèmes de transport. La densité énergétique de l'hydrogène est beaucoup plus faible que celle de l'essence, et des plus grandes cuves sont donc nécessaires pour stocker la même quantité d'énergie. En général, les réservoirs à hydrogène dans les véhicules sont plus grands que les versions pour gaz naturel et peuvent résister à une pression plus élevée.

Ces exigences supplémentaires en matière d'encombrement réduisent la fonctionnalité du véhicule pour transporter les personnes et les objets de façon efficace et confortable, et le poids supplémentaire affecte la distance parcourue par un véhicule avec une quantité d'énergie définie. En outre, les piles à combustible hydrogène occupent plus de place que les moteurs à combustion, sont plus lourdes et représentent une autre source potentielle de fuite.

Les voitures et camions fonctionnant à l'hydrogène sont disponibles, mais le nombre de stations de ravitaillement d'hydrogène dans le monde est limité. Cela les rend impraticables pour la plupart des gens, en particulier les consommateurs quotidiens. Cependant, comme l'infrastructure hydrogène continue à développer, cette réalité pourrait changer.

Malgré ces inconvénients, les voitures et camions longue distance à hydrogène ont des avantages significatifs par rapport aux véhicules électriques. Ils peuvent être ravitaillés en quelques minutes, et non pas en heures, et l'énergie stockée ne se dégrade pas au fil du temps. La densité de stockage de l'énergie est beaucoup plus élevée que les batteries, à un facteur de plus de 100, rendant ces combustibles beaucoup plus légers et plus compacts que les batteries. Enfin, les matériaux nécessaires à la production de batteries modernes, en particulier le lithium, ne sont disponibles qu'à court terme, tandis que les matériaux nécessaires pour produire des piles à hydrogène sont présents en abondance.

Lorsque l'hydrogène gazeux est produit, il peut être consommé localement, comprimé et canalisé dans les réservoirs de stockage, comprimé et rempli en cylindres pour le transit, ou liquéfié pour une densité de stockage améliorée ou un transport longue distance. L'hydrogène est généralement transporté par pipeline, camion, rail ou bateau. Les pipelines sont le plus souvent utilisées entre les installations de production voisines et les consommateurs, et sur des distances plus longues où une demande stable à long terme est prévue.

Sur de courtes distances, le transport par camion est le plus courant, soit dans des cylindres à haute pression allongés, empilés sur une remorque, ou dans des citernes d'hydrogène liquide à températures cryogéniques. Les wagons sont utilisés pour transporter l'hydrogène liquide sur des distances moyennes, tandis que les navires prennent des charges lourdes pour le transport longue distance.

La recherche de systèmes de stockage d'hydrogène compacts, viables et sûrs à la fois pour les véhicules et les installations fixes se poursuit. En combinaison avec une production d'hydrogène viable, les développements au niveau du transport et du stockage aideront à stimuler la filière de l'hydrogène.

Alors que les industries visent à réduire leurs émissions de carbone en mettant en œuvre l'hydrogène et d'autres carburants dans leurs infrastructures, une formation est primordiale pour garantir l'ingénierie, l'installation, l'utilisation et la maintenance de ces systèmes.