Prêt à l'emploi - pour l'énergie du futur
1 novembre 2023
L'énergie du futur
Élastomères pour les applications de l'hydrogène
Le groupe Angst+Pfister a testé en profondeur l'adéquation de ses élastomères aux applications de l'hydrogène - ce qui a également permis de répondre au nombre croissant de demandes de renseignements de la part des clients sur cette technologie d'avenir. Les recherches permettent d'acquérir de plus en plus de connaissances utiles aux clients sur les joints d'étanchéité dans l'environnement de l'hydrogène. Les résultats ont déjà été mis en pratique avec succès.
L'hydrogène est la matière la plus petite, la plus légère et la plus répandue dans notre univers. Cependant, il existe rarement à l'état pur. Il est généralement lié chimiquement à l'oxygène dans l'eau ou au carbone dans les hydrocarbures des combustibles fossiles. En tant que source et vecteur d'énergie, il présente de multiples avantages et fait l'objet de nombreuses discussions.
La production d'hydrogène vert ne produit pas de CO2. Elle peut être générée à partir de sources renouvelables. Cependant, les coûts sont encore relativement élevés. Mais au cours des prochaines années, les coûts seront réduits grâce à des investissements accrus dans les technologies connexes. L'hydrogène est promis à un très bel avenir ; il pourrait décarboniser l'industrie lourde. Il peut être stocké en toute sécurité pendant une longue période. Il peut être utilisé dans les véhicules électriques à pile à combustible. En outre, l'hydrogène contribue à la sécurité de l'approvisionnement énergétique en diversifiant les carburants.
Du gris au bleu en passant par le vert
Aujourd'hui, il existe trois méthodes principales de production de l'hydrogène.
- L'hydrogène gris est obtenu par un processus de conversion thermochimique qui "réforme" les combustibles fossiles en hydrogène. Le CO2 est produit en tant que "déchet" et rejeté dans l'atmosphère.
- En associant la voie de production de l'hydrogène gris aux technologies CSC (captage et stockage du carbone), on obtient la voie dite de l'hydrogène bleu, qui permet d'obtenir un bilan CO2 neutre.
- Le processus le plus intéressant pour la production future d'énergie est la production d'hydrogène vert. L'eau est divisée en ses composants, l'oxygène et l'hydrogène, au moyen d'une électrolyse alimentée par de l'électricité provenant de sources renouvelables, ce qui est neutre en carbone.
L'hydrogène vert n'est pas encore largement utilisé. La production d'hydrogène gris est de loin la plus courante, car elle est la moins chère. Environ 95 % de l'hydrogène est actuellement produit par cette méthode. Quelques problèmes techniques doivent encore être résolus pour l'utilisation à grande échelle de l'hydrogène vert, et des recherches supplémentaires sont nécessaires. Les tendances et les investissements s'orientent de plus en plus vers des processus de production neutres en CO2.
L'hydrogène convient à de nombreux marchés et applications. Il est prometteur en tant que source de chaleur pour les habitations et les entreprises, ainsi que pour l'industrie lourde. L'hydrogène peut être utilisé comme carburant pour les transports ou pour produire de l'électricité. En outre, il s'agit d'une matière première importante pour de nombreuses industries, telles que les raffineries ou l'industrie chimique.
Joints pour les applications liées à l'hydrogène
Les joints en élastomère sont nécessaires partout où l'hydrogène est produit, transporté ou stocké. Les exigences relatives à ces joints sont très élevées. Ils doivent fonctionner dans une large gamme de températures. Ils doivent également être capables de supporter des pressions élevées. La perméabilité est essentielle, et les composés de caoutchouc doivent donc résister à l'hydrogène. Le groupe Angst+Pfister effectue actuellement des tests approfondis sur l'adéquation de tous ses produits existants et de ses nouveaux développements aux applications liées à l'hydrogène.
Dès qu'il y a des gaz, la perméabilité des joints est toujours une préoccupation particulière. La structure des élastomères sert de barrière au transport des gaz. Néanmoins, les gaz peuvent toujours se diffuser lentement à travers l'échafaudage polymère. Deux propriétés thermodynamiques entrent ici en jeu :
- La diffusion décrit la vitesse à laquelle le gaz se répand dans un matériau.
- La solubilité quantifie la quantité de gaz absorbée par le matériau.
Le produit de ces deux facteurs est la perméabilité. Celle-ci dépend à son tour d'une série de facteurs tels que la température et la pression, ou l'épaisseur et la surface du matériau en contact avec le gaz. Dans le cas des gaz, la taille des molécules et leur interaction avec le matériau d'étanchéité sont importantes. Les petites molécules telles que l'hydrogène se diffusent plus facilement.
Tests approfondis sur les matériaux
Angst+Pfister a récemment testé son portefeuille en ce qui concerne les applications de l'hydrogène. L'accent a été mis sur le FKM, l'EPDM et le HNBR. Sur la base des études de marché réalisées à ce jour, les tests ont commencé avec des matériaux d'une dureté Shore A de 90, ce qui correspond à des applications où la pression peut être élevée. Les ingénieurs d'Angst+Pfister ont conçu trois tests différents :
- Détermination de la perméabilité aux gaz (coefficient de perméation) conformément à la norme ISO 2782-1 dans de l'hydrogène pur.
- Essai d'étanchéité selon une méthode interne avec de l'hydrogène pur et un mélange de méthane
- Essai de décompression rapide des gaz (abrégé : RGD) conformément à la norme NORSOK M-710 en hydrogène pur.
Le type de polymère et la formulation du composé affectent la perméation
Nous avons constaté que la solubilité de l'hydrogène est faible (contrairement au CO2, qui peut pénétrer dans les élastomères en grandes quantités et donc causer des problèmes tels que des problèmes de décompression rapide des gaz), alors que la diffusion est relativement élevée. Pour rappel, la perméation est le produit des coefficients de diffusion et de solubilité. Par conséquent, on peut généralement dire que la perméation est relativement faible. L'hydrogène peut pénétrer facilement dans le matériau, mais n'y reste pas. Les tests ont confirmé nos attentes théoriques. Le type de polymère et le composé de caoutchouc influencent la perméation. Les tests de perméation nous permettent de classer nos matériaux internes en fonction de leur adéquation aux applications de l'hydrogène. Angst+Pfister peut fournir des données détaillées aux clients intéressés.
La perméation comme principale cause de fuite
Les essais d'étanchéité ont été réalisés dans des conditions identiques à celles des essais de perméation. La géométrie des joints toriques a également une incidence sur l'étanchéité. En principe, les résultats de l'essai d'étanchéité ont montré le même classement des matériaux que celui trouvé pour la perméation, ce qui suggère que la perméation (ou fuite naturelle) est la principale raison des fuites. En d'autres termes, elles ne sont pas dues à des fuites de surface.
La résistance à la décompression est probablement transférable
L'un des matériaux les plus performants (FKM1) a été soumis au test RDG. Notre FKM 1 a reçu la meilleure note possible (0000) de la norme Norsok, qui a des origines profondes dans les industries du pétrole et du gaz. Les tests suggèrent que ce matériau, qui s'est déjà révélé résistant à la décompression avec d'autres gaz (méthane et CO2), fonctionne également avec l'hydrogène et que, éventuellement, l'hydrogène causera des problèmes limités de décompression rapide des gaz.
Conclusions et perspectives
La perméation semble être le principal facteur influençant le fonctionnement des joints dans les applications de l'hydrogène. Les matériaux qui se sont avérés résistants à la décompression pour d'autres gaz pourraient ne pas avoir de problèmes avec l'hydrogène, mais cela doit être prouvé. C'est pourquoi Angst+Pfister prévoit maintenant d'autres tests avec de l'hydrogène pur et des pressions supérieures à 150 bars. De même, les composés Angst+Pfister d'une dureté Shore de 70 seront testés pour la perméation et les fuites afin d'être éventuellement utilisés pour des applications à pression modérée. Parallèlement, Angst+Pfister travaille actuellement sur des projets avec des clients afin de développer de nouvelles solutions d'étanchéité pour les applications liées à l'hydrogène.
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