Garantir la pureté de l’hydrogène destiné aux piles à combustible
Pourquoi il importe de prélever des échantillons au niveau du pistolet de la pompe pour garantir la fiabilité et la conformité des systèmes à hydrogène
Alors que le paysage énergétique mondial évolue vers des solutions plus propres et plus durables, l’hydrogène est devenu une source d’énergie essentielle pour décarboner le transport, l’industrie et la production d’électricité.
L’une de ses applications les plus prometteuses est celle d’une utilisation de l’hydrogène dans des piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEM) – des piles au rendement élevé et aux émissions nulles pour des systèmes fixes ou embarqués. Cependant, les performances, la sécurité et la longévité des piles à combustible dépendent fortement de la pureté de l’hydrogène qui les alimente – une obligation beaucoup plus stricte dans ces systèmes que dans d’autres usages industriels. Même des contaminants à l’état de traces peuvent causer des dommages irréversibles à ces systèmes, réduire leur efficacité ou compromettre leur fiabilité.
Garantir la pureté de l’hydrogène n’est pas qu’une question d’analyse en laboratoire : cela exige une approche globale couvrant l’ensemble de la chaîne de valeur, de la production et du stockage jusqu’au transfert et à la distribution. À chaque étape, l’hydrogène est exposé au risque d’altération et de contamination, d’où la nécessité de mettre en place de solides procédures d’échantillonnage et de vérification.
Dans ce contexte, Sauhaib Filali, ingénieur d’application chez Swagelok Munich et spécialisé dans le marché des énergies propres, a rédigé ce livre blanc sous la forme d’un guide technique destiné à toutes les personnes – ingénieurs, opérateurs, acteurs divers – impliquées dans le déploiement des infrastructures destinées à l’hydrogène et des piles à combustible. Il aborde les principes et les défis techniques de l’échantillonnage de l’hydrogène, passe en revue les normes en vigueur dans ce domaine et présente la structure de systèmes pratiques qui facilitent une vérification précise et réglementaire de la qualité de l’hydrogène.
Dans cette session de questions-réponses, Sauhaib prend le temps de présenter le marché de l’hydrogène, d’expliquer les raisons à l’origine de la rédaction de ce livre blanc et de préciser en quoi son contenu peut être utile aux clients de Swagelok.
Q : Parlez-nous de vous et dites-nous comment vous avez commencé à travailler dans ce secteur.
R : J’ai obtenu ma première licence en génie mécanique à l’université Hassan II de Casablanca (Maroc) dans un cursus en français. Comme je voulais approfondir mon expertise technique et poursuivre une carrière d’ingénieur à l’international, j’ai déménagé en Allemagne où j’ai obtenu une deuxième licence de génie mécanique à l’Université des sciences appliquées de Berlin dans un cursus en allemand.
Dans mes fonctions actuelles chez Swagelok Munich, que j’ai débutées en 2022, j’aide à la conception, à la documentation et à la mise en œuvre de systèmes à hydrogène dans l’ensemble de la chaîne de valeur des énergies propres, qu’il s’agisse de la production, de la distribution, du stockage, de l’échantillonnage ou des applications embarquées. Mon travail couvre l’ingénierie des procédés, l’élaboration de schémas P&ID, la spécification des composants, le développement de modèles 3D et de schémas d’ensemble, ainsi que l’assistance technique sur les sites de clients.
J’évalue également les systèmes et les composants pour vérifier qu’ils respectent les réglementations internationales sur l’hydrogène afin de m’assurer que la conception de nos systèmes est sûre et conforme aux normes. J’interviens aussi régulièrement lors d’événements comme le Salon de Hanovre ou la conférence Tank Tech sur des sujets comme les meilleures pratiques de conception des systèmes à hydrogène, la qualité de l’hydrogène, l’échantillonnage ou les normes de sécurité.
Q : Comment voyez-vous le marché de l’hydrogène, aujourd’hui et à l’avenir ?
R : En tant qu’ingénieur d’application, j’ai été témoin de l’évolution rapide du marché mondial de l’hydrogène. On est passé de la phase des ambitions politiques fortes et des premières expérimentations à une phase de déploiement plus structurée et normalisée. La capacité des électrolyseurs a considérablement augmenté et la mobilité basée sur les piles à combustible commence à gagner du terrain en Asie et en Europe.
L’approche de l’Europe m’a particulièrement impressionné, car elle comprend des objectifs contraignants en matière d’infrastructures. Par exemple, le règlement de l’Union européenne sur le déploiement d’une infrastructure pour carburants alternatifs (AFIR) exige que des stations de ravitaillement en hydrogène soient disponibles tous les 200 kilomètres le long des principaux axes de transport d’ici 2030.
Cela dit, le marché reste confronté à de réelles difficultés. Le fossé entre déploiement et fiabilité est l’une des plus importantes. Trop de systèmes sont construits sans se soucier suffisamment de la qualité de l’hydrogène ou de la durabilité des systèmes. Les piles à hydrogène sont très sensibles aux contaminants, même à l’état de traces, et l’assurance qualité était, jusqu’à récemment, souvent négligée.
J’observe aujourd’hui que le secteur s’attaque à ce problème, ce qui est encourageant. De nouvelles normes comme la norme ISO 19880-9 fournissent enfin des directives claires pour l’échantillonnage de l’hydrogène au niveau du distributeur, ce qui permet de s’assurer que le gaz qui entre dans le véhicule satisfait à des critères de pureté exigeants. J’ai bon espoir que ce changement mènera l’économie de l’hydrogène vers un succès durable et évolutif.
Q : Qu’avez-vous observé dans le secteur, qui vous a amené à rédiger ce livre blanc ?
R : Il y a une lacune majeure dans la compréhension par le secteur des exigences de qualité de l’hydrogène utilisé dans les piles à combustible et de l’importance de l’échantillonnage pour protéger ces piles. L’hydrogène utilisé comme source d’énergie doit être pur à au moins 99,97 % et seuls des contaminants à l’état de traces sont tolérés. Or, j’ai constaté que plusieurs clients ne savaient pas comment atteindre ce niveau de pureté au moment de la distribution. Beaucoup se fiaient ou continuent de se fier au certificat d’analyse du fournisseur, sans réaliser que la qualité de l’hydrogène peut se dégrader pendant les phases de compression, de stockage et de distribution.
L’échantillonnage est une technique essentielle pour vérifier que l’hydrogène est toujours conforme aux critères de pureté exigés à la pompe. Cela étant, l’échantillonnage est une procédure complexe qui, si elle n’est pas effectuée correctement, peut produire des résultats inexacts, causer des problèmes de non-conformité voire endommager durablement le système.
Q : Quelles sont les normes les plus importantes que les clients doivent connaître concernant l’hydrogène ?
R : Il existe plusieurs normes que tout client travaillant avec des piles à hydrogène devrait selon moi connaître pour garantir la qualité de l’hydrogène utilisé et, par conséquent, la sécurité et la fiabilité de leurs piles. Cela se passe à trois niveaux qui sont interdépendants : 1) Que doit-on mesurer ? 2) Comment l’échantillon est-il prélevé ? 3) Comment cet échantillon est-il analysé ?
Concernant le premier niveau, la norme ISO 14687 (et dans certaines régions la norme SAE J2719) définit les critères de qualité de l’hydrogène, y compris les limites maximales admissibles de certaines impuretés. Ensuite, au deuxième niveau, il y a les normes ISO 19880-9 et ASTM D7606-17 qui expliquent tous les aspects de la méthode – purge, mise à la terre, compatibilité des matériaux, etc. – pour prélever correctement un échantillon d’hydrogène au niveau du distributeur. Le troisième niveau concerne l’analyse : la norme ISO 21087 décrit les méthodes d’analyse à utiliser en laboratoire et explique comment préserver la stabilité de l’échantillon pendant le transport.
Le point essentiel est que les trois niveaux sont indissociables. On peut avoir un système techniquement bien réalisé, mais sans méthode d’échantillonnage conforme aux bonnes normes, la valeur de pureté obtenue ne sera pas fiable.
Q : Quelle est la plus grande difficulté technique que pose l’échantillonnage de l’hydrogène ?
R : Selon mon expérience, le plus difficile est de préserver l’intégrité de l’échantillon. Cela veut dire qu’il faut s’assurer que l’échantillon reste représentatif de la composition réelle de l’hydrogène, du prélèvement jusqu’à l’analyse. Ça paraît simple, mais même de minuscules fuites, un peu de gaz résiduel piégé dans un bras mort ou une purge incomplète peuvent introduire des contaminants ou diluer les impuretés que l’on essaie de détecter. Le résultat est un échantillon qui n’est plus représentatif du gaz qui circule dans la ligne d’hydrogène.
Pour remédier au problème, le système d’échantillonnage doit être conçu correctement en commençant par des matériaux qui doivent être compatibles, en éliminant les volumes morts et veillant à ce que les purges soient complètes. Ce n’est qu’à ces conditions que l’on peut avoir la certitude que l’hydrogène qui entre dans l’analyseur est aussi pur qu’il l’était à la source et qu’il n’a été en rien altéré.
La propreté du système est déterminée par celle de la procédure d’échantillonnage. Même de l’hydrogène très pur peut être altéré par une procédure d’échantillonnage mal pensée ou mal exécutée, qui va invalider vos résultats à cause d’une contamination ou d’un échantillon non représentatif.
C’est pourquoi il est impératif de concevoir le système d’échantillonnage avec le même soin et le même respect des normes internationales que le reste du système d’alimentation en hydrogène. En fait, l’échantillonnage n’est pas qu’une démarche d’analyse : c’est une décision capitale concernant le système, qui influe directement sur les performances et la sécurité des piles à combustible.
Q : Si un client ne devait retenir qu’une chose de ce livre blanc, que voudriez-vous que ce soit ?
R : Si on devait retenir une seule chose, c’est vraiment l’importance de la qualité de l’hydrogène au niveau du distributeur. Même si l’hydrogène est suffisamment pur à la sortie de l’usine de production, il peut être altéré par des contaminants dans la chaîne de la valeur. C’est pourquoi nous devons le tester directement au niveau du distributeur pour avoir la certitude que la pile à combustible est alimentée par un hydrogène d’une pureté acceptable.
« L’échantillonnage de l’hydrogène n’est pas une considération secondaire, il joue un rôle vital dans la protection de la pile à combustible. »
– Sauhaib Filali, Swagelok Munich
Lisez le livre blanc de Sauhaib intitulé « Garantir la pureté de l’hydrogène utilisé dans les piles à combustible ». Pour obtenir des réponses aux questions que vous pourriez avoir concernant l’échantillonnage de l’hydrogène, prenez contact avec votre centre de vente et de services agréé Swagelok.