Essais & Simulations 148

ESSAIS ET MODÉLISATION

ESSAIS ET MODÉLISATION MESURE & MÉTROLOGIE Enjeux autour de la métrologie et de la mesure pour la filière Hydrogène À l’occasion du Congrès Gas Analysis (qui se déroulera au sein de Global Industrie / Measurement World, du 17 au 20 mai prochain à Villepinte), Martine Carré (Air Liquide) et Jérôme Lopez (CFM – partenaire de la revue Essais & Simulations) reviennent sur les enjeux de l’hydrogène pour la mesure et la métrologie. L’hydrogène est en passe de devenir incontournable dans la décarbonation des secteurs industriels, de l’énergie et de la mobilité. La part de l’hydrogène produit à partir d’énergies renouvelables ou grâce à des procédés bas carbone (hydrogène vert et bleu) va augmenter dans les années à venir. C’est aussi le cas de la part provenant de l’excès (comme produit dérivé) des industries à base de chlore, d’éthylène ainsi que des raffineries… L’hydrogène est devenu une énergie mature. Les technologies existent aujourd’hui pour le produire, le stocker, le déplacer et l’utiliser et ce, en accord avec les objectifs des accords de Paris 2030. Il peut être produit à partir des carburants fossiles, de la biomasse, de l’eau ou d’un mélange des précédents. Le gaz naturel est aujourd’hui la première source de production d’hydrogène grâce aux usines de réformage du méthane à haute température (SMR), comptant pour 75% de la production annuelle globale qui est de 70 millions de tonnes. Pour une utilisation dans le secteur de la mobilité (dans les piles à combutibles) © DR © DR Martine Carré Directrice scientifique en analyse au sein du groupe Air Liquide Jérôme Lopez Directeur technique du Collège français de métrologie (CFM). l’hydrogène doit être purifié, liquéfié ou pressurisé et stocké avant d’être transporté. L’hydrogène est liquéfié à basse température (sous -253 °C) à travers plusieurs cycles de compression et d’échange de chaleur avec de l’hélium. Dans ce type de process, des techniques d’analyse de gaz doivent être mises en œuvre pour contrôler la qualité de l’hydrogène. Il s’agit en particulier de contrôler la teneur en impuretés pouvant avoir un impact sur le process lui-même. De même, sous forme gazeuse comprimée, l’hydrogène qui est utilisé pour l’alimentation des piles à combustibles doit avoir une haute pureté et respecter des spécifications définies pour une série d’impuretés. Ainsi, il est nécessaire de contrôler les impuretés présentes dans l’hydrogène délivré aux stations de remplissage (HRS pour Hydrogen Refuelling Stations) pour alimenter les véhicules basés sur les piles à combustibles (FCEV pour Hydrogen Fuel Cell Electric Vehicles). La norme ISO 14687 : 2019 établit une liste de treize espèces chimiques contaminantes, dont le CO, C02, Ar, Ne, NH3, N2, H2O, H2S…, et 12 I ESSAIS & SIMULATIONS • N°148 • Février - Mars - Avril 2022

ESSAIS ET MODÉLISATION ©IStock - MF3d les seuils maximum requis pour assurer l’intégrité des piles à combustibles. Ces niveaux varient selon l’impureté de la centaine de ppm (part per million molaire) à la dizaine de ppb (Parts per billion molaire). Le soufre est l’impureté la plus critique avec une spécification de 4 ppb maximum. Du côté de la production par électrolyse, l’oxygène et l’eau sont les premières espèces contaminantes. D’autres enjeux de mesure des contaminants apparaissent aussi dans le transport de l’hydrogène par pipeline. Il s’agit par exemple de mesurer la capacité calorifique (GCV pour Gross Calorific Value). La conversion des pipelines de gaz existants pour le transport de l’hydrogène peut affecter les taux de contaminants présents. Les technologies de mesure et la métrologie associée doivent permettre de mesurer ces niveaux, de manière reproductible, traçable (au sens métrologique) et avec des niveaux d’incertitudes maîtrisés et adaptés au besoin. Selon les applications et les espèces chimiques, différentes techniques sont aujourd’hui en lice pour assurer le contrôle des niveaux de contaminants. Parmi celles-ci, on compte par exemple la spectroscopie optique (OFCEAS et spectroscopie par diode laser accordable) pour mesurer les niveaux d’H2O, de CO ou d’H2S dans l’hydrogène, mais aussi la CRDS (Cavity Ring Down Spectroscopy). On peut aussi citer, la spectrométrie de masse temps réel pour le contrôle des process, l’identification et la quantification des espèces contaminantes. La spectroscopie FTIR (Fourier Transform Infrared) existe ainsi que d’autres techniques comme les GC-MS ou CRDS. De nombreux acteurs, grands groupes industriels producteurs ou fournisseurs d’hydrogène comme Air Liquide, Engie, GRT Gaz, mais aussi des industriels spécialisés dans l’instrumentation comme Siemens, Agilent, Thermofischer ou AP2E, soutenus à la fois par les travaux de laboratoires académiques (BAM, PAC,…) ainsi que des instituts de métrologie nationaux comme le LNE, la PTB allemande ou le NPL anglais, collaborent, notamment à travers des programmes de recherche européens (par exemple le projet EMPIR MetroHyVe) afin de développer des nouveaux capteurs, de nouvelles méthologies de mesure, en s’attachant à ce qu’elles soient reproductibles et traçables au sens métrologique. Ces travaux seront présentés lors du prochain congrès Gas Analysis 2022 (cf. article précédent) ● ESSAIS & SIMULATIONS • N°148 • Février - Mars - Avril 2022 I13