Appareils et composants de mesure et de contrôle de la pression d'hydrogène

Représentées en France par la société Suco-VSE France, les marques européennes Suco, ESI et DST mettent en commun plusieurs décennies d’expérience en conception et fabrication d’organes de mesure et de contrôle de pression d’hydrogène afin de développer une gamme complète destinée à accompagner les industriels dans le développement de la filière hydrogène.

Suco-VSE France propose une gamme de produits répondant aux problématiques spécifiques du contact avec l’hydrogène.

Fruit d’un processus industriel rigoureux qui leur confère une fiabilité et une répétabilité exemplaire, ils bénéficient en outre d’innovations tels que des plages de pression jusque 5.000 bar, une protection ATEX contre les explosions, des cellules usinées à partir d’un bloc de titane (sans cordon de soudure) incorporant la technologie de capteur Silicon-on-Sapphire (sans joint torique) et des corps en 316L compatibles hydrogène.


De plus, ces équipements sont adaptables à tous les besoins spécifiques pour la production en série grâce à leur conception modulaire.

La gamme hydrogène proposée comprend 3 catégories de produits :

 

 

Au vu des enjeux de sécurité qui leur incombe, ces composants à haute valeur technologique ont bénéficié d’un processus constant d’innovation, cumulant des années de R&D et les retours d’expérience de nombreux clients, afin de garantir leur fonctionnement optimal et une longue durée de vie dans le système de contraintes affilié aux matériaux en contact avec l’hydrogène.

Ils résistent de façon fiable aux conditions de fonctionnement électriques, mécaniques, thermiques et chimiques, sans fuites ni déformations face aux pressions élevées, aux larges plages de températures et à la perméation de l’hydrogène. Ils sont également protégés contre la surpression, assurant de fait une sécurité maximale et une mesure précise tout au long de leur cycle de vie en environnement exigeant.

Applications des produits de la gamme hydrogène :

L’entièreté de l’écosystème qui gravite autour de l’hydrogène dépend de la fiabilité de systèmes de mesure et de régulation de la pression comme les pressostats, les transducteurs et les entraînements de compresseurs. Ils entrent en jeu dans la plupart des applications qu’il s’agisse de produire de l’hydrogène à partir d’électricité ou à l’inverse, de l’électricité à partir d’hydrogène, ou encore dans l’emploi direct de son potentiel d'énergie chimique dans les moteurs à explosion ou à réaction.

Les pressostats mécaniques Suco et transducteurs et transmetteurs de pression ESI, sont souvent utilisés comme systèmes de sécurité lorsqu’un contrôle fiable et robuste de la pression est nécessaire.

Les entraînements magnétiques DST, quant à eux, servent à l’entraînement de compresseurs, ils offrent des caractéristiques idéales pour l’emploi dans la filière hydrogène comme un fonctionnement sans friction et donc sans montée en température, totalement hermétique et sont usinés en monobloc d’alliage de titane pour la compatibilité avec les grandes pression et la perméation de l'hydrogène.

Ces systèmes entrent en application dans trois domaines principaux :

Les applications stationnaires,

  • dans le domaine dit de l'hydrogène-énergie :
    • production d'hydrogène à partir d'électricité
      • Électrolyseur alcalin, Électrolyseur PEM (Proton Exchange Membrane), Électrolyse haute température (SOEC), Électrolyse haute pression basée sur la chimie du zinc, Électrolyse à membrane échangeuse d’anions
      • compression,
      • stockage, réservoirs de type I, II, III ou IV ; et prochaine de type V
      • utilisation à des fins de production d'électricité (PAC)
        • PEMFC, AFC, PAFC, MCFC, SOFC
  • Ou liées à la distribution d'hydrogène carburant pour les véhicules,

Les applications liées à la mobilité embarquées dans des véhicules :

  • Applications présentes sur le marché
    • Véhicules automobiles routiers
      • Voitures
      • Bus
      • Camions
      • Vélos
    • Véhicules non routiers
      • Chariots élévateurs
      • Engins de chantiers
  • Applications en développement avancé
    • Trains
    • Navire de navigation intérieure
  • Applications à un stade de développement initial
    • Navire de navigation maritime
    • Avions

Les applications relatives au transport d'hydrogène en tant que marchandise

Ils servent par exemple à surveiller la pression hydrogène minimale dans les conduites ou les pipelines, les bouteilles, réservoirs de gaz et réservoirs de stockage haute pression, réservoirs tampons, les compresseurs multicellulaires et les systèmes de pompage, ou à fermer les soupapes de sécurité ou encore arrêter les compresseurs.

On les retrouve également dans l’électrolyse de l’hydrogène et dans les applications automotive comme les piles à combustible et moteurs à hydrogène, la technologie des vannes, les équipements pour stations-service et camions citernes H2… et bien d’autres encore.

Les enjeux de sécurité des systèmes à hydrogène

Les enjeux de sécurités qui incombent à la filière hydrogène (production, transport, manutention, utilisation) peuvent être regroupées en 3 problématiques imputables aux propriétés intrinsèquement dangereuses de cet élément, ainsi qu’à ses conditions de mise en œuvre.

  • La densité énergétique faible,
  • La haute inflammabilité,
  • La faible taille de la molécule

Grace à l’utilisation de système de régulation fiables, durables et performants, tels que ceux proposés dans la gamme Hydrogène, les risques qui en résultent sont réduits au strict minimum.

Haute pression : Risques liés au stockage de l'hydrogène

Stockage sous haute pression de l'hydrogène :

L'hydrogène est souvent stocké à haute pression dans les systèmes qui l'utilisent, notamment dans les stations de distribution où l'on trouve des réservoirs tampons pouvant atteindre 1000 bar. Cette pratique permet de stocker une grande quantité d'hydrogène dans un faible volume, ce qui est crucial pour son transport et pour la viabilité des applications qui l’utilisent.
Les pressions varient considérablement selon les applications, allant de quelques millibars dans les système PAC (pile à combustible) à 100 mégapascals (1000 bar) dans certains systèmes de stockage.

Risques associés à la haute pression hydrogène :

La haute pression peut engendrer des situations dangereuses. La rupture d'un réservoir sous pression libère instantanément le gaz contenu, créant une onde de choc puissante susceptible de projeter des débris. Dans le cas de l’hydrogène, qui est hautement inflammable, cette libération soudaine peut causer une explosion ou un flash en cas d’embrasement, amplifiant les effets dévastateurs de la rupture du réservoir.

Protection contre la surpression :

Les appareils de la gamme Hydrogène développés par SUCO, ESI et DST résistent de façon fiable aux températures et pressions prévues pour leurs applications, pendant leur durée de vie et sont protégés contre la surpression.

Inflammabilité : Dangers intrinsèques de l’hydrogène

L'hydrogène est un gaz extrêmement inflammable, présentant une plage d'inflammabilité étendue (entre 4% et 75%) dans des conditions atmosphériques normales. Sa faible énergie minimale d'inflammation (17 μJ) le rend particulièrement sensible aux sources d'ignition, le classant parmi les gaz les plus facilement inflammables.

Formation d'atmosphères explosives :

En cas de fuite, l'hydrogène se mélange à l'oxygène de l'air, créant une atmosphère explosive. L'inflammation de ce mélange produit des effets thermiques et de pression d'autant plus intenses que la concentration d'hydrogène et d'oxygène est élevée et que les conditions environnementales sont propices.

Jets de flamme et propagation rapide :

Une fuite d'hydrogène enflammée se traduit par un jet de flamme (ou feu torche) à très haute température (supérieure à 2000°C). La flamme, principalement émettrice d'ultraviolets, est pratiquement invisible en plein jour. Sa propagation est nettement plus rapide que celle des flammes issues d'autres combustibles usuels (méthane, propane, essence...),augmentant le risque de la transition du régime de combustion de la déflagration vers la détonation en cas d’une explosion. Les conséquences d’une explosion d’hydrogènes peuvent donc être plus importantes que dans le cas d’autres gaz inflammables.

Formation de mélanges inflammables dans les équipements :

L'introduction d'oxygène dans les équipements à hydrogène, notamment les électrolyseurs et les compresseurs, peut engendrer la formation de mélanges inflammables à l'intérieur même de ces systèmes.

Maîtrise des risques : Un priorité absolue

Compte tenu de son extrême inflammabilité, la maîtrise des risques d'explosion et d'incendie est d'une importance capitale dans les systèmes à hydrogène.
Des mesures de sécurité rigoureuses et des conceptions robustes tels que celles développées pour la gamme Hydrogène de Suco, ESI et DST sont indispensables pour prévenir les fuites, les inflammations et leurs conséquences potentiellement dévastatrices.

Perméation : la problématique critique pour les capteurs de pressions d'hydrogène

L'hydrogène, plus petite des molécule, pénètre aisément la structure moléculaire des matériaux. Ce phénomène de diffusion, appelé perméation, n'est pas sans danger pour les systèmes de stockage et de transport, surtout à pression élevée.

En effet, l'hydrogène ainsi dissous dans les matériaux, interagit avec eux de manière diverse, il en modifie la structure, pouvant les fragiliser, les dégrader progressivement jusqu’à les rendre vulnérable aux fissures et, au cloquage lors de décompressions.

Ces altérations peuvent compromettre la résistance des équipements sous pression, affectant leur intégrité structurale et menaçant la sécurité des systèmes.

Des conséquences néfastes sur les organes critiques de mesure de pression d'hydrogène

La perméation de l'hydrogène ne s'arrête pas aux parois des réservoirs et des canalisations. Elle revêt même une dimension cruciale en ce qu’il s’agit des organes de régulation et des dispositifs de sécurité comme les pressostats mécaniques, les transducteurs, transmetteurs et capteurs de pression, en perturbant leur bon fonctionnement.

Les capteurs piézorésistifs majoritairement employés dans les applications de mesure et contrôle des pressions d’hydrogène y sont particulièrement sensible du fait de la fine épaisseur de leur membrane.

Explication du phénomène de perméation de l'hydrogène sur les transmetteurs de pression

Les molécule d’hydrogène qui se trouvent normalement dans un état moléculaire diatomique H₂ sont suffisamment grosses pour ne pas pénétrer dans les membranes des capteurs de pression.

Cependant, dans des plages de pression élevées, à l’interphase avec la membrane la molécule H₂ peut se diviser en 2 ions hydrogène (H+), qui sont alors assez petits pour s’insérer dans l’espace intermoléculaire du matériau de la membrane.

Les ions hydrogène (H+) en traversant la fine membrane de séparation peuvent capter un électron pour former un simple atome d’Hydrogène (H) qui, une fois diffusée dans le fluide de mesure va chercher à se recombiner avec les atomes d’hydrogène simple qui s’y trouvent naturellement (eau, acides, bases et autres composés organiques) pour reformer du dihydrogène.

Le dihydrogène dissous dans l'huile peut alors entrainer la formation de bulles, qui se traduisent par des erreurs de mesures et la défaillance du capteur. Ces erreurs sont pernicieuses car elles peuvent disparaître spontanément à la moindre variation de pression, si la bulle parvient à se dissoudre à nouveau.

Les composants Suco et ESI relèvent le défi de la perméation des haute pressions d'hydrogène :

Largement éprouvés pour les applications mettant en jeu l’hydrogène, les matériaux utilisés par Suco et ESI pour concevoir les pièces des composants qui entrent en contact direct avec l’hydrogène sont strictement compatibles avec ce dernier.

PRESSOSTATS MÉCANIQUES HYDROGÈNE POUR LES PRESSIONS JUSQUE’À 400 BAR :

  • Membrane ou joint torique EPDM
  • Corps en acier inox 316 L compatible hydrogène

TRANSDUCTEURS, TRANSMETTEURS ET CAPTEURS DE PRESSION HYDROGÈNE JUSQU’À 5000 BAR

  • Corps en monobloc d’alliage de titane compatible hydrogène
  • Cellule de mesure en alliage de titane avec la technologie Silicone-on-Sapphire (SoS)

Découvrez la technologie SOS, ou comment maintenir une fiabilité de mesure à toute épreuve pour les pressions d'hydrogène :

COMPATIBLE AVEC LES HAUTE PRESSIONS ET ÉTANCHE À LA PERMÉATION, LE SECRET D’UNE MESURE DE PRESSION D'HYDROGÈNE PRÉCISE ET FIABLE…

La combinaison du silicium et du saphir permet d’obtenir une cellule de mesure extrêmement durable. Parce que le silicium est déposé sur la surface du saphir, il est incroyablement stable et ne présente pratiquement aucune hystérésis. Grâce à ses propriétés d’isolation exceptionnelles, le saphir protège la jauge de contrainte du rayonnement électromagnétique et permet au capteur de fonctionner sur une très large plage de températures sans perte de performances. Il peut supporter des surpressions élevées et offre une excellente résistance à la corrosion et à la perméation. L’excellente élasticité du saphir garantit une répétabilité élevée, ce qui est une caractéristique hautement souhaitable pour les cellules.


Les avantages de l’utilisation de la technologie SOS sont significatifs :

  • Le membrane en titane est soudée au raccord fileté en titane lui aussi, donc aucun joint torique
  • Haute précision
  • Haute résistance aux surpressions et pressions transitoires
  • Excellente résistance chimique
  • Stabilité à température élevée
  • Grande sensibilité, de 10 mV/V à 20 mV/V
  • Pression de mesure comprise entre -1 et 5.000 bar
  • Fabrication à partir de pièces usinées en titane
  • Pour les plages de pression élevées, usinage en une seule pièce en titane