Instrumentation et analyse de gaz pour l’hydrogène
Instrumentation et analyse de gaz pour l’hydrogène
L’hydrogène joue un rôle important dans la production d’une énergie renouvelable. Les instruments de mesure et d’analyse de gaz (analyseur de gaz hydrogène, capteur de pression pour l’hydrogène,débitmètre pour l’hydrogène, transmetteurs de température) permettent d’améliorer le processus de fabrication, de réduire les coûts et d’augmenter la durée de vie des process de production d’hydrogène, du stockage et transport de l’hydrogène, les stations et les piles à combustible.
Instrumentation et analyse de gaz pour l’hydrogène
Les instruments de mesure de Fuji Electric sont conçus pour répondre efficacement aux défis cruciaux de l’industrie de l’hydrogène, à chaque étape de sa production.
Voici comment nous adressons ces enjeux :
Gestion des coûts : Nos technologies avancées permettent de minimiser les coûts de production et d’opération, vous aidant à rester compétitif sur le marché de l’énergie verte.
Efficacité de la production : Nous vous aidons à améliorer les rendements des processus de production de l’hydrogène, maximisant ainsi la productivité et réduisant les déchets énergétiques.
Fiabilité des équipements : Nos solutions robustes garantissent la longévité et la résistance des installations, même dans des conditions opérationnelles difficiles et face à la corrosion.
Qualité du produit : Nous assurons une mesure précise et fiable de la pureté de l’hydrogène, garantissant la qualité indispensable pour ses applications dans les secteurs de la mobilité et de l’industrie.
Chez Fuji Electric, nous vous équipons pour relever les défis d’aujourd’hui et préparer un avenir plus vert et durable.
Production durable
Respect des normes en vigueurs
Sécurité des procédés
Réduction des coûts de production
Hydrogène, énergie du futur
L’hydrogène, souvent surnommé l’énergie du futur, promet de révolutionner notre approche de la production et de l’utilisation de l’énergie propre. Il se distingue par sa propreté, son efficacité énergétique, et sa capacité de stockage. Par ailleurs, il est également apprécié pour sa polyvalence et les défis techniques qu’il présente.
Caractéristiques de l’énergie hydrogène
Propreté et durabilité : L’hydrogène est une source d’énergie propre, produisant principalement de l’eau lorsqu’il est utilisé dans une pile à combustible. Cela en fait une alternative attrayante aux combustibles fossiles pour réduire les émissions de gaz à effet de serre et lutter contre le changement climatique.
Haute efficacité énergétique : Les piles à combustible qui utilisent de l’hydrogène convertissent directement l’énergie chimique en électricité, offrant une efficacité plus élevée que les méthodes de conversion d’énergie traditionnelles, telles que la combustion.
Stockage d’énergie : L’hydrogène peut être stocké sous forme gazeuse ou liquide, permettant une utilisation flexible dans diverses applications énergétiques, notamment le transport, l’énergie renouvelable intermittente et les besoins industriels.
Polyvalence : L’hydrogène peut être produit à partir de diverses sources, y compris les énergies renouvelables, le gaz naturel, le charbon, ou même des déchets organiques, rendant son approvisionnement adaptable et diversifié.
Défis techniques : Malgré ses nombreux avantages, la production, le stockage, et le transport de l’hydrogène présentent des défis techniques importants, notamment en matière de sécurité due à sa haute inflammabilité et sa petite taille moléculaire, qui peut entraîner des fuites à travers des matériaux non spécialement conçus pour le retenir.
L’hydrogène, souvent qualifié de vecteur énergétique de l’avenir, se décline en une palette de couleurs selon son mode de production et ses impacts environnementaux. Chaque type est classifié par une couleur qui renseigne sur les avantages et inconvénients associés à son procédé de production.
L’hydrogène noir et brun sont issus de la gazéification du charbon ou du lignite, respectivement. Ces méthodes sont très émettrices de CO2 et autres gaz à effet de serre, posant un défi majeur pour la transition écologique.
L’hydrogène vert est produit par électrolyse de l’eau en utilisant de l’électricité issue de sources renouvelables telles que le solaire ou l’éolien. Il représente l’option la plus durable et la plus propre, mais reste onéreux en raison du coût des énergies renouvelables et de la technologie d’électrolyse.
L’hydrogène rose (parfois appelé rouge ou violet), similaire à l’hydrogène vert, est généré par électrolyse, mais spécifiquement à partir de l’énergie nucléaire. Bien que son empreinte carbone soit faible, il soulève des préoccupations liées à la sûreté nucléaire et au traitement des déchets radioactifs.
L’hydrogène bleu est produit à partir d’hydrocarbures, comme le gaz naturel, avec un processus de capture et de stockage de carbone (CSC) pour minimiser les émissions. Il est plus propre que l’hydrogène noir ou brun, mais dépend toujours des combustibles fossiles et requiert une infrastructure CSC efficace.
L’hydrogène blanc fait référence à l’hydrogène issu de la géothermie, extrait directement de sources naturelles, mais sa disponibilité est limitée aux régions géothermiquement actives.
L’hydrogène turquoise est obtenu par pyrolyse du méthane, qui se veut une méthode plus propre, car elle produit du carbone solide au lieu de CO2. Néanmoins, cette technologie est encore à un stade précoce de développement.
L’hydrogène jaune est parfois utilisé pour désigner l’hydrogène produit par électrolyse en utilisant de l’électricité provenant d’un mix de sources renouvelables et fossiles, ce qui le place quelque part entre le vert et le gris en termes d’empreinte carbone.
L’hydrogène gris est fabriqué à partir de gaz naturel par reformage à la vapeur sans capture du CO2 émis, ce qui en fait une source significative d’émissions de gaz à effet de serre.
Depuis le 17 février 2021, grâce à une ordonnance ancrée dans la loi énergie-climat, le secteur de l’hydrogène en France bénéficie d’une reconnaissance légale affirmée au sein du Code de l’énergie. Ce cadre juridique novateur propose une approche renouvelée pour classer l’hydrogène, abandonnant les anciennes catégories colorées au profit d’une classification fondée sur les attributs écologiques de l’hydrogène.
Ainsi, l’évaluation de l’hydrogène se concentre désormais sur son impact environnemental, mettant en avant la nature de sa source énergétique originelle et le volume d’émissions de CO2 générées par sa production.
L’hydrogène renouvelable inclut généralement l’hydrogène vert, et parfois le rose, à condition que l’énergie nucléaire soit considérée comme renouvelable.
L’hydrogène bas carbone ou décarboné englobe les types d’hydrogène dont la production génère moins de CO2 que les méthodes traditionnelles, notamment l’hydrogène bleu et parfois l’hydrogène turquoise. La directive sur le marché du gaz et de l’hydrogène fixe le seuil à 3,38 kgCO2eq/kg H2 pour la définition de l’hydrogène bas carbone.
L’hydrogène carboné est un terme utilisé pour décrire des formes d’hydrogène produites avec une empreinte carbone importante, comme l’hydrogène noir ou brun.
Chaque type d’hydrogène offre un compromis entre coût, accessibilité et impact environnemental, reflétant la complexité du passage à une économie d’hydrogène et la nécessité d’innovations continues pour atteindre une production durable et économiquement viable.
Méthode de production d’hydrogène
Méthode conventionnelle de production de l’hydrogène : Vaporeformage ou reformage à la vapeur (SMR)
Caractéristiques :
Matières premières : Eau, Méthane, Gaz naturel, GPL, Naphta
Énergie : Chaleur
Avantages : Méthode la moins chère, représentant 90% de la production mondiale de H2
Empreinte carbone : 1 à 6 kgCO2eq/kg H2
Pour la production de l’hydrogène par vaporeformage, l’hydrocarbure et la vapeur d’eau sont chauffés en présence de catalyseur. H2 ou mélange de CO et H2 est obtenu. Les hydrocarbures légers tels que le méthane, le gaz naturel, le GPL, le naphta sont utilisés comme matières premières. Ces matériaux doivent être désulfurés avant utilisation.
Cette méthode de vaporeformage du méthane implique une série de réactions chimiques où un hydrocarbure réagit avec de la vapeur d’eau pour produire de l’hydrogène et du dioxyde de carbone.
Dans ce contexte, chaque instrument de mesure joue un rôle spécifique pour assurer une production efficace et sécurisée.
La mesure de pression est primordiale pour contrôler la pression à l’intérieur des réacteurs, garantissant ainsi des conditions optimales pour les réactions chimiques et la sécurité globale du processus. De manière complémentaire, la mesure de température est cruciale ; elle permet de surveiller et de réguler la température dans le réacteur, car le reformage nécessite des températures élevées pour être efficace, influençant directement la performance et la longévité de l’équipement.
La mesure de débit joue un rôle indispensable en régulant l’apport de vapeur d’eau et d’hydrocarbures dans le réacteur, assurant ainsi le maintien des réactions chimiques nécessaires et une production continue d’hydrogène. L’analyse des gaz est également utilisée pour examiner la composition des gaz produits, vérifiant la conversion effective des hydrocarbures en hydrogène et détectant les impuretés ou sous-produits, comme le monoxyde de carbone, qui pourraient compromettre la qualité du gaz.
Bien que moins fréquente, la mesure du niveau sert à contrôler les volumes de liquides, tels que l’eau et les hydrocarbures, avant leur transformation, assurant une gestion précise des matières premières nécessaires au processus.
Instrumentation adaptée pour le Vaporeformage ou reformage à la vapeur (SMR)
Méthode conventionnelle de production de l’hydrogène : Electrolyse
Caractéristiques :
Matière première : Eau
Énergie : Électricité
Empreinte carbone : 0,3 à 2,77 kgCO2eq/kg H2
Les électrolyseurs sont à la pointe de la technologie, exploitant l’énergie électrique pour séparer l’eau en hydrogène et en oxygène. On distingue différentes technologies : Electrolyse alcaline de l’eau (AWE), Electrolyse à membranes échangeuses de proton (PEM), Electrolyse à oxide solide (SOEC), Electrolyseurs à membranes d’échange d’anions (AEM).
Assurer l’efficacité et la sécurité maximales de ce process de production d’hydrogène par électrolyse de l’eau repose fortement sur des instruments de mesure et des systèmes de contrôle de précision.
Les capteurs de pression sont indispensables pour maintenir la pression interne de l’électrolyseur dans des limites opérationnelles sécuritaires, prévenant ainsi tout scénario de surpression dangereux. Tout aussi essentiel est le rôle de la technologie de mesure de température, qui fournit des données en temps réel pour surveiller l’état thermique de l’électrolyseur, une variable qui influence significativement l’efficacité et la longévité du processus.
Les débitmètrespour hydrogène offrent une quantification précise du rendement en hydrogène, permettant aux opérateurs de surveiller les taux de production et d’apporter des ajustements pour optimiser les performances.
Enfin, l’analyse de la composition de l’hydrogène joue un rôle essentiel dans la garantie de la pureté de l’hydrogène produit. Ce processus analytique s’assure que l’hydrogène produit répond aux normes de qualité élevées requises pour diverses applications tout en identifiant toute impureté indésirable ou sous-produits qui pourraient émerger lors de l’électrolyse.
Méthode conventionnelle de production de l’hydrogène : Dérivés de l’hydrogène, Industrie de la métallurgie, Industrie de la soude
Caractéristiques :
Matières premières : Charbon, Minerai de fer, Eau de mer (saumure)
Énergie : Chaleur, Électricité
La production d’hydrogène en tant que sous-produit dans divers secteurs industriels, notamment dans la fabrication de l’acier et de la soude caustique, présente des défis uniques en matière de capture, de purification et d’utilisation efficace de ce gaz précieux. Voici comment la précision des instruments de mesure contribue au contrôle et à l’optimisation de ces processus.
Dans la métallurgie, notamment lors de la production d’acier, l’hydrogène est souvent libéré lors de la réduction des oxydes de fer en utilisant des méthodes réductrices alternatives. Le capteur de pression d’hydrogène dans ce contexte aide à surveiller et à contrôler les environnements de réaction où l’hydrogène est généré, assurant des conditions de travail sécurisées et optimales pour la réduction des métaux. La mesure de température est également critique, car elle permet de s’assurer que les fourneaux et autres équipements atteignent et maintiennent les températures nécessaires pour la réduction efficace des métaux tout en gérant la production d’hydrogène.
Dans l’industrie de la soude caustique, l’hydrogène est produit comme un sous-produit de l’électrolyse de la saumure dans le procédé chloralcali. La mesure de pression joue un rôle crucial dans le contrôle des cellules électrolytiques, où des variations de pression peuvent influencer l’efficacité de l’électrolyse et la sécurité du processus. Les sondes de température sont utilisées pour réguler les températures des cellules, optimisant ainsi les réactions électrolytiques et la quantité d’hydrogène généré. La mesure de débit contrôle le débit de saumure et de solutions chimiques, assurant un approvisionnement stable et une production continue.
Dans les deux cas, les analyseurs de gaz sont essentiels pour déterminer la pureté de l’hydrogène récupéré. Ce pas est crucial pour décider si l’hydrogène peut être utilisé directement dans d’autres processus industriels ou s’il nécessite une purification supplémentaire. Par exemple, la présence d’impuretés telles que le monoxyde de carbone peut nécessiter l’utilisation de technologies de purification comme l’adsorption par changement de pression (PSA) avant que l’hydrogène puisse être utilisé de manière sécuritaire.
Enfin, la mesure du niveau dans les réservoirs de stockage d’hydrogène aide à gérer les stocks disponibles et à planifier la production ou la vente de l’hydrogène excédentaire. Cela permet non seulement une gestion efficace des ressources mais aussi une intégration stratégique de l’hydrogène dans les activités industrielles globales de l’entreprise.
Ainsi, l’intégration de ces mesures dans les processus industriels n’est pas seulement une question de conformité réglementaire, mais un élément crucial pour augmenter l’efficience, maximiser le rendement de l’hydrogène produit et renforcer les engagements en matière de développement durable des industries impliquées.
Instrumentation adaptée pour les dérivés de l’hydrogène dans la métallurgie et l’industrie de la soude
Futures technologies de production de l’hydrogène : Gazéification du charbon
Caractéristiques :
Matières premières : Charbon, Eau
Énergie : Chaleur (carburant fossile)
Avantage : H2 haute densité,
Co-produits : Déchets de charbon de mauvaise qualité
La gazéification du charbon est une méthode sophistiquée de production d’hydrogène qui transforme le charbon en un mélange de gaz riche en hydrogène, appelé gaz de synthèse.
Le carbone injecté dans un four réagit avec l’O2 dans l’air pour être du CO2 et / ou du CO, ou réagit avec la vapeur d’eau pour être du CO et du H2.
Le CO obtenu passe par réaction avec la vapeur d’eau, il est dissous en CO et H2. CO + H2O CO2 + H2. Ce processus, se déroulant dans un environnement à haute température et sous pression, exige l’utilisation de technologies de mesure avancées pour garantir l’efficacité et la sécurité des opérations.
Les capteurs de pression sont essentiels pour contrôler avec précision les conditions opérationnelles dans le gazéifieur, où une pression stable est cruciale pour la réaction chimique.
La mesure de température joue un rôle critique, car elle permet de surveiller et réguler les températures élevées nécessaires à la réaction de gazéification.
Le débitmètre assure un contrôle rigoureux des quantités d’oxygène et de vapeur d’eau injectées, éléments clés pour la production optimale de syngas.
En outre, l’analyse des gaz est utilisée pour examiner la composition du syngas et ajuster les paramètres du processus en temps réel, garantissant ainsi la maximisation de la production d’hydrogène tout en minimisant les impuretés. Enfin, la mesure du niveau aide à gérer les réservoirs de stockage des intrants et des produits finis, assurant une alimentation continue et efficace du système.
Ensemble, ces instruments de mesure permettent une gestion précise et efficiente de la gazéification du charbon, faisant de ce procédé une composante vitale de l’industrie moderne de l’hydrogène.
Instrumentation adaptée pour la gazéification du charbon
La production d’hydrogène par conversion thermochimique, thermolyse de la biomasse, et photolyse représente des méthodes innovantes exploitant diverses sources d’énergie pour décomposer les molécules d’eau ou d’autres composés organiques en hydrogène. Chacune de ces techniques nécessite des instruments de mesure spécialisés pour optimiser les rendements et assurer la sécurité des processus.
Pour la conversion thermochimique et la thermolyse de la biomasse, où des températures élevées sont utilisées pour décomposer la biomasse en hydrogène et autres gaz, la mesure de la température est cruciale. Elle permet de surveiller avec précision les conditions de réaction, essentielles pour atteindre une efficacité maximale.
La régulation de la pression est également importante pour maintenir un environnement contrôlé, optimisant ainsi la réaction et la sécurité. Les analyseurs de gaz jouent un rôle primordial pour caractériser les gaz produits et ajuster les paramètres de réaction en conséquence, assurant ainsi la pureté de l’hydrogène produit et la réduction des sous-produits indésirables.
Dans le cas de la photolyse, qui utilise la lumière, notamment solaire, pour scinder l’eau en hydrogène et oxygène, la mesure de débit est utilisée pour contrôler l’apport en eau et la libération des gaz, garantissant ainsi un fonctionnement continu et efficace du système.
Instrumentation adaptée pour la Conversion thermochimique, thermolyse de la biomasse, photolyse
L’étape de conditionnement et le transport par camion sont cruciaux pour assurer une chaîne d’approvisionnement en hydrogène fluide et sécurisée.
Les appareils de mesure de pression jouent un rôle vital pour surveiller la pression pendant la compression de l’hydrogène et son maintien dans les réservoirs de stockage ou les bouteilles pendant le transport. Cela évite les risques associés aux augmentations de pression qui pourraient compromettre l’intégrité des contenants.
La surveillance de la température est essentielle pour veiller à ce que l’hydrogène ne subisse pas de variations thermiques susceptibles de provoquer des hausses de pression dangereuses pendant le stockage et le transport.
En ce qui concerne la débitmètrie, elle est indispensable pour quantifier avec précision le taux auquel l’hydrogène est chargé ou déchargé des installations de stockage, permettant une gestion optimisée et une facturation exacte.
L’analyse des gaz est également capitale : elle garantit que l’hydrogène reste exempt de contamination tout au long de son transit, préservant ainsi sa pureté pour les utilisations finales.
Enfin, la mesure du niveau est utilisée pour déterminer avec exactitude le volume d’hydrogène présent dans les réservoirs de stockage pendant le transport, assurant une connaissance claire des quantités en circulation et aidant à prévenir les surcharges ou les manques de produit.
Instrumentation adaptée pour la conditionnement et le transport de l’hydrogène
Les stations de distribution d’hydrogène se positionnent comme des points névralgiques, assurant la liaison entre les producteurs d’hydrogène et les utilisateurs finaux. La précision et la sécurité dans ces stations sont garanties par des instruments de mesure spécialisés qui orchestrent la distribution.
Le contrôle de la pression est fondamentale pour une distribution sûre de l’hydrogène vers les véhicules ou les conteneurs, veillant à ce que la pression pendant le ravitaillement reste dans les paramètres de sécurité.
La mesure de température prend toute son importance pour contrôler la température de l’hydrogène et de l’environnement de la station, deux facteurs qui influent sur la sécurité et l’efficience de la distribution. Une surveillance attentive permet d’éviter les variations de pression dues à des changements de température.
Quant aux appareils de mesure de débit, ils assurent une mesure précise de la quantité d’hydrogène dispensée, essentielle tant pour la gestion des stocks que pour l’exactitude de la facturation aux consommateurs.
L’analyse de la composition du gaz intervient pour confirmer la pureté de l’hydrogène au moment de la vente, un critère de qualité qui peut déterminer l’efficacité énergétique des véhicules à hydrogène.
Enfin, les sondes de niveau sont indispensables pour surveiller la quantité d’hydrogène disponible pour la distribution, permettant ainsi de gérer efficacement les réserves de la station pour répondre en continu à la demande. Ensemble, ces mesures constituent le socle technologique qui rend possible l’opérationnalité fiable et sûre des stations de distribution d’hydrogène, éléments clés de l’infrastructure énergétique de demain.
Instrumentation adaptée pour les stations de distribution d’hydrogène
Pile à combustible de production d’énergie stationnaire (Stationary PAC)
Les piles à combustible stationnaires pour la production d’énergie (Stationary PAC) utilisent l’hydrogène pour générer de l’électricité de manière propre et efficace, et sont équipées de divers instruments de mesure essentiels pour optimiser leur fonctionnement et garantir leur sécurité.
Les instruments de mesure de pression jouent un rôle crucial en surveillant la pression de l’hydrogène alimentant les cellules, assurant ainsi que le gaz est délivré à des niveaux optimaux pour la réaction électrochimique. Les sondes de température sont également indispensables, car elles permettent de contrôler la température au sein des cellules à combustible, évitant les surchauffes qui pourraient endommager les composants et réduire l’efficacité du système.
Les capteurs de débit assurent un contrôle précis du flux d’hydrogène et d’oxygène entrant dans les piles, ce qui est vital pour maintenir un équilibre adéquat entre les réactifs et maximiser la production d’énergie.
Les analyseurs de gaz sont utilisés pour surveiller la qualité de l’hydrogène et détecter tout contaminant qui pourrait affecter la performance ou la durée de vie des cellules. Enfin, les sondes de niveau sont souvent intégrées pour surveiller les niveaux d’hydrogène stocké, assurant une alimentation continue sans interruption du service.
Ces instruments de mesure sont donc essentiels pour le fonctionnement sécurisé et efficace des Stationary PAC, permettant une surveillance en temps réel et une réponse rapide aux changements de conditions opérationnelles. Leur utilisation garantit que ces systèmes peuvent fournir une source d’énergie fiable et durable, tout en soutenant les objectifs environnementaux de réduction des émissions et de promotion des énergies renouvelables.
Instrumentation adaptée pour les stations de distribution d’hydrogène
