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Prêt à l’emploi pour l’énergie du futur

Le groupe Angst+Pfister a effectué des tests approfondis de l’aptitude de ses élastomères pour les applications de l’hydrogène afin de fournir des réponses aux demandes croissantes de renseignements sur cette technologie d’avenir. Nos recherches permettent d’acquérir de plus en plus de connaissances utiles aux clients sur les joints dans les environnements liés à l’hydrogène. Les résultats ont déjà été mis en œuvre avec succès.

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L’hydrogène est l’élément le plus petit, le plus léger et le plus commun dans l’univers. Toutefois, il existe rarement à l’état pur. Il est habituellement lié chimiquement à l’oxygène dans l’eau ou au carbone dans les hydrocarbures des combustibles fossiles. Il présente de multiples avantages et fait également l’objet de nombreuses discussions en tant que source et vecteur d’énergie.

La production d’hydrogène vert ne crée pas de CO2. Il peut être généré à partir de sources renouvelables. Toutefois, les coûts sont encore relativement élevés. Au cours des prochaines années, les coûts baisseront grâce à des investissements accrus dans les technologies connexes. L’hydrogène a un avenir très prometteur. Il pourrait bien décarboner l’industrie lourde. En effet, il peut être stocké en toute sécurité pendant une longue période. Il est possible de l’utiliser dans les véhicules électriques à pile à combustible. De plus, l’hydrogène contribue à la sécurité de l’approvisionnement en diversifiant le mix énergétique.


Gris, bleu et vert

À l’heure actuelle, il existe trois méthodes principales de production de l’hydrogène.

  • L’hydrogène gris est obtenu par un processus de conversion thermochimique qui transforme les combustibles fossiles en hydrogène. Du CO2 est produit en tant que « déchet » et rejeté dans l’atmosphère.
  • En couplant la voie de production de l’hydrogène gris avec les technologies CSC (captage et stockage du carbone), on obtient la voie dite de l’hydrogène bleu qui permet d’atteindre un bilan CO2 neutre.
  • Le processus le plus intéressant pour la future production 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 issue de sources renouvelables.


L’hydrogène vert n’est pas encore beaucoup 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 selon cette méthode. Quelques problèmes techniques doivent encore être résolus pour utiliser l’hydrogène vert à grande échelle, et des recherches supplémentaires sont nécessaires. Les tendances et les investissements s’orientent de plus en plus vers des procédés de production neutres en CO2.

 



L’hydrogène convient à de nombreux marchés et à toutes sortes d’applications. C’est une solution prometteuse comme source de chaleur pour les particuliers et les entreprises mais aussi pour l’industrie lourde. L’hydrogène peut être utilisé comme carburant pour les transports ou pour produire de l’électricité. De plus, c’est une matière première importante dans de nombreuses industries, comme les raffineries ou l’industrie chimique.

Des joints pour les applications de l’hydrogène

Les joints en élastomère sont nécessaires partout pour produire, transporter ou stocker l’hydrogène. Les exigences relatives à ces joints sont très élevées. Ils doivent fonctionner dans une large plage de températures. Ils doivent également supporter une pression élevée. La perméabilité est essentielle, et les composés de caoutchouc doivent résister à l’hydrogène. Le groupe Angst+Pfister effectue actuellement des tests approfondis sur tous ses produits existants et nouveaux afin de pouvoir les utiliser dans les applications de l’hydrogène.

La perméabilité des joints est une préoccupation dès lors que des gaz entrent en jeu. La structure des élastomères fonctionne comme une barrière dans le transport des gaz. Néanmoins, les gaz peuvent toujours se diffuser lentement à travers la maille de 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 perméation. Celle-ci, à son tour, dépend 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. La taille des molécules de gaz et leur interaction avec le matériau d’étanchéité sont importantes. Les petites molécules, comme l’hydrogène, se diffusent plus facilement.

Tests approfondis sur les matériaux

Angst+Pfister a récemment testé son portfolio pour répondre aux applications de l’hydrogène. L’accent a été mis sur le FKM, l’EPDM et le HNBR. Sur la base des demandes du marché actuel, les tests ont commencé avec des matériaux d’une dureté Shore A de 90, ce qui correspond aux 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) selon la norme ISO 2782-1 dans de l’hydrogène pur
  • Test d’étanchéité selon une méthode interne avec de l’hydrogène pur et un mélange à dans du méthane
  • Test de décompression rapide des gaz (Rapid Gas Decompression en anglais ou RGD en abrégé) conformément à la norme NORSOK M-710 dans de l’hydrogène pur

     

Cinq matériaux différents ont été testés : deux HNBR, deux FKM et un EPDM.



Le type de polymère et la formulation des composés affectent la perméation

Nous avons constaté que la solubilité de l’hydrogène est faible (contrairement au CO2 qui peut pénétrer dans les élastomères en grande quantité et donc poser des problèmes, notamment de décompression rapide du 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 dire que la perméation est relativement faible. L’hydrogène peut facilement pénétrer dans le matériau, mais il n’y reste pas. Les tests ont confirmé nos attentes théoriques. Le type de polymère et le composé de caoutchouc affectent la perméation. Les tests de perméation nous permettent de classer nos matériaux internes en fonction de leur aptitude aux applications de l’hydrogène. Angst+Pfister peut fournir des données détaillées aux clients intéressés.
 


 

 La perméation est la principale cause des fuites

Les tests d’étanchéité ont été réalisés dans des conditions identiques à celles des tests de perméation. La géométrie des O-rings a également une incidence sur les fuites. En principe, les résultats du test d’étanchéité ont montré le même classement au sein des matériaux que celui trouvé pour la perméation, ce qui suggère que la perméation (ou fuite naturelle) est la principale raison de la fuite. C’est-à-dire qu’elle n’est pas due à une fuite 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 FKM1 a reçu la meilleure note possible (0000) de la norme Norsok, dont les origines sont profondément ancrées dans les industries du pétrole et du gaz. Les tests suggèrent que ce matériau, qui s’est déjà montré résistant à la décompression avec d’autres gaz (méthane et CO2), fonctionne également bien avec l’hydrogène et, potentiellement, que 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 résistants à la décompression pour d’autres gaz peuvent fonctionner pour l’hydrogène, mais cela reste à prouver. C’est pourquoi Angst+Pfister prévoit maintenant d’autres tests avec de l’hydrogène pur et des pressions supérieures à 150 bar. Les composés Angst+Pfister d’une dureté Shore de 70 seront testés pour la perméation et l’étanchéité afin d’être éventuellement utilisés pour des applications à pression modérée. En même temps, Angst+Pfister travaille avec des clients sur des projets liés aux applications de l’hydrogène afin de développer de nouvelles solutions d’étanchéité.

 

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published: 23 janv. 2023 à 19:12:00