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Science de l’hydrogène 101 : comprendre les risques liés aux électrolyseurs

Au cours des cinq dernières années, nous avons assisté à un engouement pour le potentiel de l’hydrogène (l’élément le plus abondant au monde) à remplacer les combustibles à base de carbone et, en particulier, à faciliter la transition énergétique des secteurs industriels pour lesquels cela est difficile.
Concept of an energy storage system based on electrolysis of hydrogen in a clean environment with photovoltaics, wind farms and a city in the background. 3d rendering.

06/20/2023 · Lecture de 4 minutes

Au cours des cinq dernières années, nous avons assisté à un engouement pour le potentiel de l’hydrogène (l’élément le plus abondant au monde) à remplacer les combustibles à base de carbone, et en particulier, à faciliter la transition énergétique des secteurs industriels pour lesquels cela est difficile. La production d’hydrogène propre en tant que carburant utilisable en quantité suffisante pour accélérer la transition énergétique nécessite deux préalables essentiels :

  1. Une expansion rapide de la production d’énergie renouvelable. Entre 40 et 50 kilowattheures (kWh) sont nécessaires pour produire un kilogramme (kg) d’hydrogène. Généralement, un kilogramme d’hydrogène peut faire fonctionner un four électrique pendant environ huit heures.
  2. Une grande quantité de piles d’électrolyseurs. Les piles d’électrolyseurs actuelles sont limitées à une puissance nominale de 10 à 20 mégawatts (MW). Un électrolyseur de 10 MW peut produire de 3 000 à 4 500 kg d’hydrogène par jour.

Comme avec l’évolutivité rapide de toute technologie, les idées fausses peuvent amener les marchés des assurances à faire preuve de prudence. Alors que les gouvernements réajustent les politiques énergétiques et que les investisseurs explorent les possibilités de croissance, les ingénieurs de Marsh évaluent les risques réels par rapport aux risques perçus de la production d’hydrogène.

Comment l’hydrogène est-il produit?

L’hydrogène gazeux est créé par un processus de production appelé électrolyse. Il existe trois principaux types d’électrolyseurs produisant de l’hydrogène : alcalins, à membrane échangeuse de protons (PEM) et à oxyde solide (bien que ce dernier type ne soit pas encore proposé pour la production à grande échelle).

Les électrolyseurs contiennent une cathode et une anode, qui fournissent des surfaces chargées positivement et négativement. L’eau est pompée dans l’électrolyseur, et l’hydrogène gazeux est créé en divisant l’eau en ses composants d’hydrogène et d’oxygène. Selon la conception de l’électrolyse, une membrane ou une cellule à diaphragme sépare l’hydrogène et l’oxygène.

L’hydrogène est comprimé et purifié avant d’être transporté par tuyau ou par route, ou expédié sous forme de gaz ou de liquide dans une installation d’entreposage. L’oxygène est généralement libéré dans l’atmosphère ou capturé et utilisé dans d’autres processus industriels.

Quel est le risque?

Bien qu’il y ait des variations dans le fonctionnement des différents types d’électrolyseurs, ils présentent tous un risque d’incendie ou d’explosion. Toute défaillance du procédé peut entraîner un mélange d’hydrogène et d’oxygène, ce qui pourrait provoquer un incendie ou une explosion – dans l’électrolyseur, pendant les processus de compression ou de purification, ou dans l’équipement de stockage.

Quatre façons d’atténuer les risques liés à l’électrolyse

Les exploitants d’usine de production d’hydrogène doivent prendre en compte quatre mesures d’atténuation des risques :

  1. Comprendre la durée de vie de vos électrolyseurs. Comme tout équipement, les électrolyseurs ont une durée de vie spécifique, après quoi ils peuvent commencer à se dégrader, augmentant ainsi la probabilité de défaillance. Les opérateurs doivent être conscients des conditions de fonctionnement optimales et de la durée de vie des composants critiques de leur électrolyseur, comme spécifié par le fabricant d’équipement d’origine, et en fonction de leur expérience de fonctionnement réelle. Des plans doivent être mis en place pour remplacer l’équipement, y compris la membrane ou le diaphragme, à la fin de sa durée de vie. La durée de vie dépendra de l’intensité de son utilisation et de la qualité de son entretien.
  2. Suivre les spécifications du fabricant sur les tâches d’entretien et intégrer les leçons apprises de l’expérience de fonctionnement réelle. Les opérateurs doivent effectuer tous les services d’entretien nécessaires pour minimiser le risque de dégradation de la membrane. Les équipes opérationnelles doivent savoir que les différents types d’électrolyseurs ont des exigences et des calendriers d’entretien différents. Ces exigences doivent également intégrer les leçons apprises de l’expérience fonctionnelle.
  3. Repérer rapidement toute dégradation de la membrane et du diaphragme. Même lorsque les électrolyseurs sont correctement entretenus, des défaillances inattendues peuvent toujours se produire pendant la durée de vie recommandée par le fabricant. Il est important de mettre en œuvre des systèmes de surveillance des processus efficaces pour repérer les défaillances précoces potentielles. La surveillance doit inclure des paramètres clés, par exemple : la pureté du gaz, la tension et le courant. Il faut tenir compte de l’interruption de la production d’un électrolyseur particulier si l’unité fonctionne en dehors de ses paramètres de fonctionnement prévus.  
  4. Mettre en œuvre des pratiques de purge et d’inertage. Les systèmes de l’usine de traitement doivent être conçus en tenant compte des exigences de purge et d’inertage (pour minimiser ou éliminer le risque d’incendie). Un nombre adéquat et suffisant de points de purge doit être prévu dans la conception de l’usine. Une purge et un inertage adéquats doivent être exécutés avant le démarrage et avant l’entretien. Des pertes se sont produites parce que les gaz inflammables et oxydants n’ont pas été retirés efficacement de l’équipement de traitement lorsque cela était nécessaire. Les opérateurs doivent élaborer des procédures de purge et d’inertage qui conviennent à leurs processus et à leur équipement.

La demande en hydrogène est de plus en plus élevée. Cet engouement entraînera une expansion de l’infrastructure, augmentant ainsi le nombre d’usines et de pipelines d’électrolyse opérationnelle. Comme pour tout processus industriel, la sécurité est d’une importance capitale. La production d’hydrogène exige des contrôles techniques et procéduraux rigoureux pour atténuer les risques inhérents. Bien que ces risques et mesures d’atténuation soient bien compris, des processus d’exploitation et d’entretien sécuritaires sont essentiels.

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