Pureté de l’hydrogène et compresseur H2

Pour des usages à haute pression comme avec la mobilité ou avec le stockage d’énergie (Power to Hydrogen), compresser l’hydrogène produit est nécessaire afin que le gaz occupe considérablement moins de volume. Un site de production et de distribution pourra ainsi avoir un stockage tampon en amont du compresseur, un stockage principal à 200 bar et un stock réduit compressé à 500 bar. Ce dernier stock servira à remplir des véhicules lourds à hydrogène ayant des réservoir à 350 bar.

Comment compresser l’hydrogène ? Quelle est la pureté de l’hydrogène ? Et quel est le lien entre la pureté et la compression… ?

La pureté de l’hydrogène

La pureté de l’hydrogène (en tant que gaz) dépend de sa production et la purification. Par exemple, le vaporeformage de biogaz permet d’obtenir un gaz dont la pureté est supérieure à 97 % en volume, bas carbone mais très faible TRE.

La pureté minimale constatée en sortie des principaux systèmes d’électrolyseurs est de 99,90 %. Le reste du mélange étant principalement une fraction de H20 et de O2. Ces proportions, et notamment l’humidité dépendent bien entendu du type d’électrolyseur (PEM, alcalin…).

Des classes de pureté de systèmes complets d’électrolyseurs PEM sont selon les fournisseurs sont :

HG  >   99,995 %        N50 >  99,999%        N55 >  99,9995 %        N60 >  99,9999 %

La valorisation thermique de cet hydrogène : par une chaudière, un moteur à combustion interne ou turbogénératrice… est compatible avec un hydrogène moins pur. Par exemple cet hydrogène peut-être plus humide pour se passer d’un sécheur. A contrario la valorisation en électricité via une pile à combustible requiert un hydrogène de grande pureté. Enfin, indépendant de l’utilisation faite l’hydrogène requiert d’être comprimé pour être utilisé dans la mobilité (terrestre, aérienne, maritime, navale…). Les compresseurs mécaniques nécessitent  alors d’utiliser un gaz “sec”. Sa pureté minimale est alors de 99,995 % à 99,999 vol% pour assurer l’absence de condensation. En effet cette condensation est critique puisqu’elle est responsable avec la pression de phénomènes de cavitations qui dégrade le compresseur. Éviter cette usure et les frais de maintenance associés requiert donc un sécheur.

Qualité H2 4.5 H2 5
Pureté, % de volume ≥ 99,995 % ≥ 99,99 %
Impuretés, en ppm O2 2
N2 ≤40
H20 ≤ 5
O2 2
N2 ≤ 3
H20 ≤ 5
CnHm ≤ 0,5

Tableau des pureté de l’hydrogène

Sécher l’hydrogène

Un sécheur représente en coût entre 6 et 16 % de l’investissement des systèmes directement liés à l’électrolyseur. La consommation du sécheur est équivalente à 0,1 % – 1,5 % (voire 3,5 %, source : US DOE) de l’énergie transitée sur des produits actuels. Ces contraintes entre la pureté et le compresseur sont liées à la pression élevée. Ainsi l’industrie qui utilise de l’hydrogène de plus basse qualité à pression réduite n’est pas forcément autant exposée à ces contraintes.

Les compresseurs d’hydrogène

Brevet compresseur électrochimique à hyrogène

Brevet d’un système de compresseur électrochimique à hydrogène déposé par le National Research Council Canada. “L’appareil comprend un assemblage de cellules électrolytiques à membrane (MEA), contenant des plaques de distribution de gaz prenant les membranes en sandwich. […] La plaque d’extrémité du côté anode comprenant une entrée d’arrivée d’hydrogène et la plaque d’extrémité du côté cathode comportant une sortie d’hydrogène comprimé. Le procédé consiste à comprimer électrochimiquement l’hydrogène dans ces cellules dans lesquelles des pressions jusqu’à 12000 psi sont atteintes grâce à des assemblages de cellules multiples.”

Trois familles de compresseurs à hydrogène existent :
  • Compresseur mécanique d’hydrogène : ils sont les plus courants, disponibles à bonne échelle. A haute pression, l’humidité présente un risque certain de cavitation responsable d’une usure prématurée des membranes et des pistons ce qui augmente considérablement les coûts de maintenance. La cavitation peut même empêcher le fonctionnement. De plus les constructeurs ne garantissent pas son fonctionnement pour de l’hydrogène de qualité réduite. Cet équipement est couramment doublé dans les installations si son arrêt peut être critique pour l’activité comme dans le cas d’une station service à hydrogène.
  • Compresseur thermochimique d’hydrogène : Niveau de maturité technologique (TRL) plus bas et peu d’acteurs actuellement. Les premiers démonstrateurs à échelle réelle (par exemple pour une station de bus) arrivent en 2022 sur des projets pilotes. Ils permettent de compresser des mélanges de gaz (par exemple méthane + hydrogène) ou de l’hydrogène avec une pureté réduite. Le rendement de la chaîne devrait être amélioré et le coût (hors compresseur) réduit.
  • Compresseur électrochimique d’hydrogène : TRL plus bas encore, les solutions actuelles n’ont pas les débits suffisants et les éléments en platine qui le composent nécessitent un gaz d’une très grande pureté.

Cas d’utilisation d’un compresseur thermochimique à hydrogène

 

Hydrogène « pur » 

1 sécheur

1 compresseur mécanique 

Hydrogène pour moteur ICE ou turbine

0 sécheur

1 prototype de compresseur thermochimique

 

 

La filière actuelle semble se structurer pour traiter de l’hydrogène de haute pureté. Le développement de la demande d’hydrogène bas carbone de pureté moindre pourrait émerger avec la décarbonation de l’hydrogène pour les usages industriels, les H2ICE ou les turbines à hydrogène.

Un projet pilote utilisant de l’hydrogène de qualité intermédiaire comprimé pourrait être équipé d’un compresseur mécanique utilisant de l’hydrogène “pur”. Il serait secondé d’un prototype de compresseur thermochimique acceptant des qualités moindres ou des mélanges de gaz. Un fournisseur a été identifié par Tecphy. Des résultats positifs avec le compresseur thermochimique permettraient d’améliorer le rendement énergétique en travaillant avec un hydrogène de qualité plus basse. Cela contribuerait à réduire le coût du carburant. L’optimisation de la chaîne nécessite cette approche systémique.

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