Des instruments de mesure fiables pour l'hydrogène – défis et solutions

Par rapport aux autres gaz, l'hydrogène présente des caractéristiques chimiques et physiques originales. C'est l'élément le plus léger de l'univers, avec une capacité de diffusion extrêmement forte. Cela signifie qu'il peut pénétrer à l'intérieur de nombreux matériaux, où il peut provoquer une fatigue des matériaux et des problèmes d'étanchéité dans les capteurs. De plus, l'hydrogène est hautement réactif : le moindre ajout d'oxygène suffit à former des mélanges explosifs. Les capteurs de pression et de niveau doivent donc non seulement fonctionner avec une précision parfaite, mais aussi être spécialement protégés contre la diffusion et la fragilisation.

Malgré sa structure atomique simple, puisqu'il est composé d'un seul proton et d'un seul électron, l'hydrogène possède des caractéristiques chimiques complexes. Les plus critiques sont :

• Haute réactivité : avec l'oxygène, l'hydrogène forme des mélanges explosifs et l'énergie d'ignition est 15 fois plus faible que celle du méthane.
• Capacité de diffusion : les petites molécules pénètrent dans les matériaux métalliques, ce qui peut provoquer des fuites. Dans les capteurs de pression avec fluide de transmission, cela peut par exemple entraîner un gonflement du remplissage d'huile.
• Fragilisation des matériaux : l'hydrogène s'accumule dans les joints de grains des métaux, ce qui les affaiblit au fil du temps et peut même provoquer une rupture brutale.

Pour relever ces défis, les fabricants d'instruments de mesure pour l'hydrogène misent sur des matériaux spéciaux tels que l'acier inoxydable 316L et sur des revêtements innovants tels que l'or-rhodium.

L'hydrogène est stocké soit sous très haute pression, soit à des températures extrêmement basses. Ces conditions sont particulièrement exigeantes pour les instruments de mesure. L'hydrogène est souvent stocké à des pressions de 400 à 700 bar, dans des réservoirs haute pression ou des compresseurs. Le défi :

• les capteurs doivent supporter des pressions extrêmes sans perdre en précision.
• Il faut éviter la fragilisation par l'hydrogène qui peut générer une fatigue des matériaux.
• À long terme, la diffusion peut nuire à la stabilité des cellules de mesure.

Pour ces applications, VEGA propose des solutions robustes telles que le VEGABAR 83, capable de mesurer des pressions atteignant 1 000 bar. La cellule de mesure métallique sans huile évite la dérive causée par la diffusion d'hydrogène, tandis que le revêtement or-rhodium offre une protection supplémentaire.
 
Pour réduire le volume de l'hydrogène, on le liquéfie et on le stocke sous forme liquide. Dans ce but, on refroidit le gaz jusqu'à -253 °C. Ces températures extrêmes sont particulièrement contraignantes pour les instruments de mesure :

• les capteurs doivent fonctionner de manière stable pratiquement jusqu'au zéro absolu.
• Les matériaux des joints doivent supporter ce froid extrême sans devenirs cassants.
• Il faut éviter les ponts thermiques, car même des différences de température minimes peuvent provoquer des pertes par évaporation.

Dans ce contexte, VEGA mise sur les capteurs radar à ondes guidées de la gamme VEGAFLEX, qui assurent une mesure de niveau fiable même sur les produits à faible constante diélectrique.

VEGA a mis au point des capteurs spécifiquement conçus pour les applications du secteur de l'hydrogène, qui fonctionnent avec fiabilité dans les conditions extrêmes. Quelques-unes de leurs principales caractéristiques :

• Cellules de mesure CERTEC® : des cellules de mesure en céramique qui fonctionnent sans huile de transmission et ne présentent donc aucun problème de diffusion.
• Revêtements or-rhodium : ils réduisent la diffusion de l'hydrogène dans les composants métalliques des capteurs et évitent la fatigue des matériaux.
• Compensation de température et de pression : garantit des mesures précises même dans les process dynamiques.
• Systèmes de joints étanches à la diffusion : empêchent les fuites d'hydrogène aux raccords process.

Le VEGABAR 83 convient pour l'utilisation industrielle dans les systèmes sous haute pression, tandis que le VEGABAR 82 à cellule de mesure céramique est spécialement conçu pour les produits agressifs tels que la potasse caustique dans les électrolyseurs.

La sécurité est un aspect central de la technologie de l'hydrogène. La plage d'inflammabilité de l'hydrogène est très large : une proportion allant de 4 à 77 % d'hydrogène en volume dans de l'oxygène ou de l'air forme un mélange explosif. De plus, l'hydrogène a une énergie d'ignition extrêmement faible. Pour réduire les risques, on applique des stratégies de protection à plusieurs niveaux :

1. Protection primaire contre les explosions : éviter la formation de mélange explosibles, par ex. par une séparation sûre de l'hydrogène et de l'oxygène dans les électrolyseurs.
2. Protection secondaire contre les explosions : éliminer les sources d'ignition grâce à des capteurs à sécurité intrinsèque à faible énergie électrique.
3. protection tertiaire contre les explosions : mesures de limitation des dommages en cas d'ignition.

Les capteurs VEGA sont certifiés ATEX, IECEx et SIL, ils peuvent donc être utilisés en toute sécurité dans les zones à risque d'explosion et dans les fonctions de sécurité.

Comment la numérisation contribue-t-elle à la sécurité des process ?
En plus de la simple mesure, la technologie de capteurs moderne offre des fonctions numériques supplémentaires qui contribuent à la sécurité opérationnelle. Les capteurs VEGA disposent des fonctions suivantes :

• Fonctions d'autodiagnostic : surveillance permanente de l'état du capteur afin de détecter rapidement les anomalies.
• Transmission numérique des données : intégration parfaite dans les systèmes Industrie 4.0 via les protocoles IO-Link et HART.
• Accès à distance via Bluetooth : maintenance et paramétrage à distance en toute sécurité.

De plus, le logiciel VEGA Inventory System permet une surveillance proactive des stocks afin d'éviter les pénuries et de planifier les réapprovisionnements à temps.

Avec la numérisation et l'interconnexion croissante des process industriels, les installations sont de plus en plus vulnérables face aux cyberattaques. Les instruments de mesure se retrouvent de plus en plus souvent dans le viseur des pirates. Si les appareils subissent des manipulations, cela peut non seulement menacer la sécurité des données, mais aussi nuire à la sécurité de toute l'exploitation. Il est donc vital d'assurer une protection efficace de la technologie opérationnelle (OT) afin de préserver des attaques aussi bien le pilotage de la production que l'intégrité des systèmes de mesure. VEGA relève ces défis en appliquant une stratégie de sécurité globale qui est par exemple intégrée dans le capteur VEGAPULS 6X. Ce capteur radar répond aux exigences de la norme IEC 62443-4-2 et offre, grâce à une stratégie de défense à plusieurs niveaux (« Defense-in-Depth »), une protection fiable contre la manipulation de données, l'espionnage et les attaques de déni de service (DoS). Parmi ses principales mesures de sécurité, on peut citer :

• la transmission cryptée des données pour éviter les cyberattaques
• l'authentification des utilisateurs pour éviter les accès non autorisés
• le contrôle d'intégrité du firmware pour s'assurer que seules les mises à jour logicielles autorisées sont installées
• la mémoire d'évènements pour garder la trace de toute tentative de manipulation

Un autre élément central de la stratégie de sécurité de VEGA est sa propre équipe de cybersécurité, l'équipe PSIRT (Product Security Incident Response Team). Ses membres surveillent en permanence la situation de sécurité, développent des mises à jour préventives et réagissent rapidement aux menaces potentielles. En combinant la cybersécurité, la sécurité fonctionnelle et les mécanismes de protection numériques, VEGA contribue à assurer la sécurité des installations hydrogène dans un monde connecté.

L'hydrogène pose des exigences élevées pour la technologie de mesure, des applications à haute pression à la cryotechnologie, en passant par la sécurité contre les explosions Avec ses capteurs de pression, ses capteurs de niveau et ses solutions numériques, VEGA offre une base fiable pour des process hydrogène efficaces et sûrs. Grâce à des matériaux innovants, des systèmes de compensation avancés et des outils d'analyse numériques, VEGA établit de nouvelles normes dans la technologie de l'hydrogène. Ainsi, ce vecteur énergétique prometteur peut être utilisé de manière optimale, en toute sécurité, avec précision et efficacité.