Technologie de mesure sécurisée pour les applications hydrogène : quels sont les défis et enjeux  ?

L'hydrogène est extrêmement volatil et c'est la plus petite des molécules existantes. Il peut donc se diffuser dans de nombreux matériaux et nécessite des joints spéciaux et des technologies spécifiques pour les capteurs. De plus, l'hydrogène est souvent stocké et transporté dans des conditions extrêmes, que ce soit dans des cuves sous haute pression ou à des températures glaciales sous forme liquide. Les capteurs de pression et de niveau modernes permettent de surveiller ces process avec exactitude et contribuent à utiliser l'hydrogène de manière sûre et efficace tout au long de la chaîne de valeur.

La production d'hydrogène s'effectue de diverses manières, mais les instruments de mesure jouent un rôle central dans tous les procédés.

Vaporeformage – la méthode conventionnelle
Actuellement, la majeure partie de la production mondiale d'hydrogène s'effectue par vaporeformage de gaz naturel. Cette méthode consiste à faire réagir du méthane avec de la vapeur d'eau, à une température d'environ 800 °C, pour obtenir de l'hydrogène et du dioxyde de carbone. Elle est bien établie, mais génère d'importantes émissions de CO₂ : on parle d'hydrogène « gris ». Quand ce CO₂ est capté et stocké ou utilisé, on parle alors d'hydrogène « bleu ».

Électrolyse – l'alternative respectueuse du climat
Pour produire de l'hydrogène « vert », sans impact sur le climat, on recourt de plus en plus souvent à l'électrolyse. Avec cette méthode, on décompose les molécules d'eau en hydrogène et oxygène avec de l'énergie électrique d'origine renouvelable (par ex. énergie éolienne, photovoltaïque, hydroélectrique). Selon le procédé, les exigences techniques varient :

• Électrolyse alcaline (AEL) : utilise de la potasse caustique et nécessite des conditions de fonctionnement constantes.
• Électrolyse PEM : utilise une membrane polymère et permet des variations rapides de charge, ce qui en fait une méthode bien adaptée aux variations des énergies renouvelables.
• Électrolyse à haute température (SOEC) : atteint de très hauts rendements grâce à des températures de fonctionnement dépassant 1000 °C.

Dans tous les procédés d'électrolyse, il est essentiel de disposer de mesures de niveau précises pour les stocks d'électrolytes, de surveiller la pression dans les conduites de gaz et de détecter les niveaux limites pour garantir des conditions de fonctionnement stables.

Étant donné que l'hydrogène gazeux possède une faible densité énergétique, des solutions de stockage et de transport performantes sont nécessaires. Le choix de la méthode appropriée dépend de facteurs tels que le mode de transport, l'efficacité et les exigences de sécurité.

Stockage sous pression
La méthode de stockage la plus fréquente est la compression en réservoirs pressurisés. L'hydrogène est comprimé jusqu'à 700 bar et stocké dans des réservoirs spéciaux en matériaux haute performance. Cette technologie est notamment utilisée dans les véhicules à pile à combustible.
Parmi les principaux défis techniques, le stockage sous pression a besoin de mesures de pression précises afin d'éviter les surpressions ou les sous-pressions ; il faut également maîtriser la diffusion de l'hydrogène qui peut provoquer des fuites à long terme. Les capteurs haute pression utilisés ici doivent être résistants à la fragilisation.

Liquéfaction
Pour transporter efficacement de grandes quantités d'hydrogène, on refroidit le gaz et on le liquéfie à une température de -253 °C. Cela réduit nettement son volume, mais consomme beaucoup d'énergie : environ un tiers de l'énergie stockée est nécessaire pour le refroidissement. Les températures extrêmement basses sont particulièrement exigeantes pour les capteurs de pression utilisés. De plus, les réservoirs cryogéniques fortement isolés doivent être refroidis et surveillés en permanence pour minimiser les pertes par évaporation.

Stockage chimique
Une alternative prometteuse à ces méthodes est le stockage chimique, où l'on utilise la liaison chimique de l'hydrogène dans des molécules supports telles que l'ammoniac (NH₃) ou le méthanol. Ces produits sont transportables avec les infrastructures existantes et sont reconvertis en hydrogène en fonction des besoins. Là aussi, la fiabilité des capteurs de pression et de niveau est capitale pour garantir l'efficacité du stockage et de la distribution.

Par sa forte capacité de diffusion, l'hydrogène impose des contraintes particulières aux instruments de mesure. Les capteurs dont les cellules de mesure sont revêtues d'or offrent une protection efficace contre la pénétration de molécules d'hydrogène et assurent une mesure stable à long terme.
La fragilisation par l'hydrogène des composants métalliques nécessite également des matériaux robustes tels que l'acier inoxydable 316L ou des revêtements spéciaux. VEGA mise également sur des raccords haute pression étanches à la diffusion pour permettre aux capteurs de fonctionner de manière fiable même dans des conditions extrêmes.

VEGA propose des capteurs spécialement conçus pour répondre aux exigences extrêmes des process hydrogène :

• VEGABAR 83 : avec une cellule de mesure sèche à jauge extensométrique (DMS), cet appareil assure des mesures de pression stables à long terme jusqu'à des pressions process extrêmes de 1 000 bar.
• VEGABAR 82 : avec une cellule de mesure céramique sans huile de transmission, ce capteur permet une mesure fiable de l'hydrogène sous forme gazeuse. En outre, la cellule est résistante aux produits agressifs tels que la potasse caustique utilisée pour l'électrolyse. 
• Gamme VEGAFLEX : des mesures de niveau fiables même pour les produits à faible constante diélectrique.
• VEGAPULS 6X : mesure de niveau radar haute précision, par ex. pour mesurer les électrolytes dans la production d'hydrogène.
• Capteurs BASIC : dans les applications moins exigeantes, VEGA propose des capteurs BASIC qui apportent une solution fiable et économique pour mesurer la pression et le niveau dans le secteur de l'hydrogène.

L'économie de l'hydrogène est en pleine croissance, et avec elle les exigences de fiabilité envers les instruments de mesure. Que ce soit dans la production, le transport ou le stockage, Des instruments de mesure de pression et des capteurs de niveau haute précision sont essentiels pour utiliser l'hydrogène de manière efficace et sûre.
VEGA propose des solutions parfaitement adaptées, avec des cellules de mesure métalliques ou céramiques, des raccords protégés contre la diffusion et des capteurs haute pression spécifiquement conçus pour les exigences extrêmes des applications du secteur de l'hydrogène. Ainsi, l'hydrogène peut être utilisé de manière optimale et sûre comme vecteur énergétique de demain.