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Institut national de l’environnement industriel et des risques ID Modèle = 4549

Institut national de l’environnement industriel et des risques ID Modèle = 454923 RA106 « Maîtriser le risque hydrogène » MODULE 1 LES TECHNOLOGIES DE L’HYDROGENE ET LA DEMARCHE DE MAITRISE DES RISQUES Benno WEINBERGER (tel. : 03.44.55.66.41 / benno.weinberger@ineris.fr) Titre de la diapositive (Arial blanc 22) 2 202466 Ineris - - 0.1 - v Programme du 16/05/2022 Présentation des technologies de l’hydrogène : électrolyseurs, piles à combustible, compresseur H2, station-service H2, technologie de stockage de l’hydrogène (réservoirs hyperbare, stockage souterrain, liquide cryogénique, hydrures métalliques…) et technologie de transport (gaz et liquide) Présentation des enseignements de l’accidentologie et de quelques cas emblématiques. Présentation générale des dangers de l’hydrogène et des risques inhérents aux installations hydrogène (phénoménologie/scénarios) Présentation d’une démarche de maîtrise des risques par analyse de risque de type APR et HAZOP Présentation du contexte réglementaire français sur la production, le stockage et l’usage de l’hydrogène gazeux. Panorama des normes existantes (ISO, CEN, NF et SAE) concernant l’hydrogène gazeux et hydrogène liquide. Présentation des technologies de l’hydrogène Titre de la diapositive (Arial blanc 22) 4 202466 Ineris - - 0.1 - v • L’hydrogène est aujourd’hui une matière de base des industries chimiques (hors spatial) • Consommation mondiale: environ 56 millions de tonnes, soit moins de 2% de la consommation mondiale d'énergie • Presque entièrement produit par des combustibles fossiles, d’origine de • 6 % du gaz naturel mondial • 2 % du charbon mondial • C’est 2% des émissions mondiale en CO2 Production d’hydrogène Procédé Matière première Energie consommée (kJ/mole) Electrolyse ou Dissociation thermique H20 285 Reformage à l’eau CH4 + H20 61 Gazéification du charbon C+H20 85 Gazéification de la biomasse C6H9O4 70 Titre de la diapositive (Arial blanc 22) 5 202466 Ineris - - 0.1 - v Electrolyseurs • Enthalpie de dissociation de l’eau : ΔH=285 kJ/mole • Potentiel théorique de la décomposition est de 1.481 V à 298 K • Valeurs reeles des potentiels de cellules sont de l’ordre de 1.7 à 2.1 V • Correspond à des rendements d’électrolyse de 70 à 85 % 4H2O + 4e- 2H2 + 4OH- 2H2O O2 + 4H+ + 4e- O2 H2 Anode Cathode Titre de la diapositive (Arial blanc 22) 6 202466 Ineris - - 0.1 - v Types d’électrolyse Electrolyseurs Electrolyse alcaline Electrolyse acide PEM Electrolyse à haute température Titre de la diapositive (Arial blanc 22) 7 202466 Ineris - - 0.1 - v Electrolyseurs – technologies récentes Electrolyse haute pression basée sur la chimie du zinc La technologie haute pression basée sur la chimie du zinc a été développée par la société ERGOSUP. Elle repose sur la séparation temporelle des phases de production d’oxygène et d’hydrogène en utilisant le zinc comme intermédiaire. Celui-ci est oxydé pendant une phase d’attaque acide, produisant alors de l’hydrogène à haute pression (jusqu’à 200 bar). Il est ensuite régénéré par électrolyse, se déposant à la cathode avec production d’oxygène. Malgré la répartition dans le temps des deux étapes de l’électrolyse, la nature des opérations et réactions chimiques reste assez similaire à celles se produisant dans un électrolyseur classique. Electrolyse à membrane échangeuse d’anions La technologie d’électrolyse à membrane échangeuse d’anions est actuellement en plein développement. Le principe est de remplacer le diaphragme par une membrane échangeuse d’anions (Anion Exchange Membrane - AEM). Cette solution combine les avantages des systèmes PEM et des systèmes alcalins, avec notamment la possibilité d’utiliser des métaux moins onéreux pour fabriquer les catalyseurs, comme le nickel ou le fer. Présentant encore des problèmes de stabilité, cette technologie est cependant amenée à se développer fortement dans un futur proche. Titre de la diapositive (Arial blanc 22) 8 202466 Ineris - - 0.1 - v Résumé technologie d’électrolyseurs Electrolyseurs Type Tempéra ture de fonction nement [°C] Pression de fonctionnement [bar] Consommation électrique du système [kWh/Nm3 de H2] Durée de vie [h] Rendement énergétique [%] PEM 50-80 <30 4.5-7.5 <20000 67-82 Alcalin 50-80 <30 4.5-7 <90000 62-82 Electrolyse à haute température 600- 1100 1- ? 2-3 ? 80-90 Electrolyse basée sur l’électrochimie du zinc 50-80 >100 ? ? ? Titre de la diapositive (Arial blanc 22) 9 202466 Ineris - - 0.1 - v Piles à combustible Une pile à combustible est une pile où la fabrication de l'électricité se fait grâce à l'oxydation sur une électrode d'un combustible réducteur (par exemple le dihydrogène) couplée à la réduction sur l'autre électrode d'un oxydant, tel que le dioxygène de l'air. La réaction d'oxydation de l'hydrogène est accélérée par un catalyseur qui est généralement du platine. Titre de la diapositive (Arial blanc 22) 10 202466 Ineris - - 0.1 - v Les auxiliaires autour de la pile Piles à combustible Auxiliaires Fonction Alimentation en fluide • Alimenter chaque cellule d’un stack en combustible et oxydant ; • Utiliser des systèmes de reformage en cas d’emploi de combustibles carbonés comme source d’hydrogène. Ces systèmes sont associés à des systèmes de purification dans le cadre de PEMFC ; • Assurer l’humidification des gaz dans le cas de PEMFC • Chauffer les gaz au préalable dans le cas des SOFC. Gestion de la température • Contrôler la température en fonction de l’application visée • Evacuer la puissance thermique produite pour éviter la surchauffe des PEMFC. La chaleur est évacuée par circulation de liquide caloporteur ou injection d’air • Fournir la chaleur suffisante pour des systèmes hautes températures tels que le SOFC ; Traitement des rejets • Mettre en place un système de gestion des rejets pour les gaz injectés en excès et l’eau produite par le procédé. • Le rejet est soit rejeté, soit recirculé ou soit permet d’alimenter un autre équipement ; Récupération de l’électricité • Utiliser un convertisseur continu alternatif pour fournir une électricité adapté au réseau ; Système de contrôle commande • Analyser en continu l’état des différents composants du système pile à combustible par l’intermédiaire de capteurs. Titre de la diapositive (Arial blanc 22) 11 202466 Ineris - - 0.1 - v Comparaison des avantages et inconvénients des PACs Piles à combustible Type de pile Avantages Inconvénients PEMFC  fonctionnement à basse température, donc démarrage rapide ;  électrolyte solide ;  excellente fiabilité ;  bon comportement aux basses températures (jusqu’à -30°C).  nécessite un catalyseur précieux (platine – ruthénium) ;  la membrane électrolyte protonique chère et limitée en température d’utilisation (85°C) ;  la sensibilité au CO (moins de 10 ppm requis). SOFC  une bonne fiabilité ;  des rejets thermiques à une température élevée (vers 600 – 700°C) ;  pas de catalyseurs précieux ;  peut utiliser des combustibles carbonés.  une température de fonctionnement élevée, donc un temps de démarrage relativement long ;  supporte mal les différentiels de température. MCFC  bonne fiabilité ;  rejets thermiques à une température élevée (vers 600°C).  électrolyte liquide et corrosif (carbonates fondus) ;  technologie onéreuse. AFC  fonctionne dans une large gamme de température (25 à 260°C) ;  performances élevées (vitesse des réactions chimiques)  catalyseurs non précieux ;  électrolyte liquide et corrosif ;  durée de vie courte (8000 h) ;  volume important ;  intolérant au CO2 ;  nécessité de traiter l’électrolyte à l’extérieur de la pile pour le purger de l’eau issue de la réaction électrochimique ;  mauvais rendement thermique. PAFC  Application pour la cogénération (rendement de 85% en cogénération) ;  Commercialement disponible, durée de vie longue, et retour d’expérience ;  Tolère la présence de CO.  ne supporte pas les arrêts (solidification de l’électrolyte).  L’électrolyte s’évapore et les électrodes sont corrodées par le milieu acide de la pile.  Catalyseur précieux (platine). Titre de la diapositive (Arial blanc 22) 12 202466 Ineris - - 0.1 - v Technologie de compression Compresseur à membrane Compresseur à piston Compresseur ionique Le phénomène de compression augmentant la température de l’hydrogène, un groupe froid alimente généralement des échangeurs de refroidissement d’hydrogène situés à la sortie de chaque étage de compression. Titre de la diapositive (Arial blanc 22) 13 202466 Ineris - - 0.1 - v Réservoirs hyperbare Technologie de stockage de l’hydrogène Méthode: le gaz est comprimé à 350-700 bar Avantages: une technique bien connue temps de remplissage acceptable Inconvénients: une faible densité volumétrique HP exige équipements spécifiques Titre de la diapositive (Arial blanc 22) 14 202466 Ineris - - 0.1 - v Liquide cryogénique Technologie de stockage de l’hydrogène Méthode: l'hydrogène est liquéfié à 20 K Avantages:  Une bonne densité volumétrique Technologie de ravitaillement est acquis Inconvénients:  phénomène d'évaporation (boil off) Cryogénie exige équipements spécifiques -30% de puissance pour rechauffer Le Boil-off dépend de la fréquence de ravitaillement, du temps d'inactivité, de la pression, de la technologie… De 1% à plus de 10% de perte simulée pour le fonctionnement d'une station LH2 Titre de la diapositive (Arial blanc 22) 15 202466 Ineris - - 0.1 - v Hydrures métalliques Technologie de stockage de l’hydrogène Il s’agit d’un mécanisme de absorption plus ou moins complexe suivant la nature du métal employé, qui peut être résumé par la réaction simplifiée ci-dessous pour un métal M. uploads/Industriel/ les-pip-risques-hydrogene-22.pdf