Nous vivons déjà dans une économie de l'hydrogène : production d'acier, refroidissement des générateurs et gaz de soudage

Mar 13, 2023

Bien que l'hydrogène ne soit généralement mentionné que dans le contexte du transport et du stockage de l'énergie, les applications les plus utiles se trouvent de loin dans les applications industrielles, notamment pour l'industrie chimique, la fabrication de l'acier, ainsi que celle du méthanol et des engrais. Ceci est illustré par la façon dont la majeure partie de l'hydrogène produit aujourd'hui est utilisée pour ces applications industrielles, ainsi que pour des applications telles que le refroidissement des turbogénérateurs, la demande d'hydrogène dans ces applications augmentant rapidement.

Actuellement, pratiquement tout l'hydrogène produit aujourd'hui provient du gaz naturel, via le reformage du méthane à la vapeur (SMR), avec potentiellement une pyrolyse du méthane faisant de l'hydrogène dérivé du gaz naturel une source à faible émission de carbone. Le reste de l'hydrogène provient de la gazéification du charbon et une petite fraction de l'électrolyse de l'eau. L'hydrogène est souvent produit sur place, notamment dans les installations industrielles et les centrales thermiques. Ainsi, en dehors de tout effort de décarbonation, il existe de nombreuses utilisations de l'hydrogène que le public semble généralement ignorer.

Cela nous amène à l'échelle de l'hydrogène quelque peu controversée.

Certains d'entre nous ont peut-être déjà découvert l'échelle de l'hydrogène propre, popularisée par Michael Liebreich. Ceci est similaire à la pyramide de l'hydrogène propre en ce sens qu'elle tente de capturer les applications d'hydrogène les plus essentielles et les plus économiques. Par exemple, avec les principales utilisations industrielles mises en évidence, nous obtenons ce qui suit :

La partie controversée de cette échelle d'hydrogène provient principalement du placement de catégories telles que "stockage à long terme" et "véhicules tout-terrain", avec une série d'articles CleanTechnica (partie 1, partie 2) de Michael Barnard et de l'ingénieur en procédés chimiques Paul Martin va dans un certain niveau de détail ici. En ce qui concerne le stockage d'énergie à long terme à l'aide d'hydrogène, c'est un sujet que nous avons abordé dans un article précédent sur les systèmes de stockage d'énergie, ainsi qu'un article sur des technologies de stockage au niveau du réseau plus pratiques.

Lorsque nous nous concentrons uniquement sur les catégories de lignes « A » et « B » qui sont mises en évidence dans cette image, il est important de se rappeler que ces catégories contiennent essentiellement toutes les principales formes d'utilisation actuelle de l'hydrogène, ainsi qu'un certain nombre qui ont été mentionnés précédemment, tels que que l'utilisation comme liquide de refroidissement, mais qui ne sont pas couverts dans cette image. Cependant, la plus grande utilisation d'hydrogène est de loin celle pour la production d'ammoniac (NH3). L'ammoniac est utilisé dans les solvants, les nettoyants ménagers, comme antiseptique, comme réfrigérant (R717), dans les épurateurs d'oxyde sulfureux (SO2) et d'oxyde nitreux (NOx), mais peut-être surtout dans la production d'engrais.

Une application plus controversée de l'ammoniac est celle en tant que carburant, puisque la combustion de NH3 dans une atmosphère contenant de l'oxygène produit divers polluants, dont le N2O (protoxyde d'azote), comme le notent des études récentes de Juan D. Gonzalez et al. (2017) et S. Mashruk et al. (2021). L'oxyde nitreux, également connu sous le nom de gaz hilarant, est un puissant gaz à effet de serre et est neurotoxique, étant un antagoniste des récepteurs NMDA. En raison de ces problèmes, il est peu probable que l'ammoniac en tant que carburant soit utilisé de manière significative là où des alternatives existent.

Parmi les réfrigérants gazeux, l'hydrogène est un choix populaire, car il a une conductivité thermique nettement plus élevée par rapport aux autres gaz, une capacité thermique spécifique élevée, une faible densité et donc un frottement très faible dans les applications où cela compte vraiment, comme dans les générateurs. C'est pourquoi les turbogénérateurs sont généralement refroidis avec de l'hydrogène gazeux, le gaz chauffé passant à travers un échangeur de chaleur gaz-eau avant d'être recirculé. L'entretien de ces turbogénérateurs refroidis à l'hydrogène conduit également à l'une des caractéristiques les plus intéressantes de l'hydrogène : sa capacité à brûler dans l'air à des concentrations d'hydrogène comprises entre 4 % et 74 %.

Combiné avec le point d'auto-inflammation de l'hydrogène à 571 °C, cela rend essentiel d'empêcher les fuites d'air dans le générateur et vice versa. Avant de pouvoir effectuer toute maintenance sur le turbogénérateur, l'hydrogène doit être purgé, ce qui en fait un compromis entre efficacité accrue et facilité de maintenance. Et comme indiqué précédemment, la plupart des centrales électriques disposent d'un électrolyseur sur site pour générer de l'hydrogène de remplacement lorsqu'elles en ont besoin.

La conductivité thermique de l'hydrogène est également la raison pour laquelle il est utilisé dans certains gaz de soudage, certaines études affirmant qu'il améliore la qualité de la soudure sur de l'acier de qualité encore inférieure. Lorsque l'on regarde les différents mélanges d'un seul fabricant, le gaz de protection Linde HydroStar, il s'agit de mélanges argon/hydrogène avec un pourcentage d'hydrogène allant de 2 % à 35 %. En l'absence d'atmosphère d'oxygène, le soudage TIG utilisant de l'hydrogène dans le cadre du gaz de protection n'est pas risqué, bien qu'il rende le besoin d'une ventilation constante encore plus important qu'avec l'argon/CO2 et d'autres mélanges.

Tant que toutes les conditions requises pour une explosion violente d'hydrogène ne sont pas remplies, il s'agit après tout d'un gaz parfaitement sûr et très utile, en particulier lorsqu'il s'agit de souder des matériaux délicats, tels que l'acier inoxydable. Ce qui est lié à une utilisation assez nouvelle et encore en développement de l'hydrogène, dans la réduction de l'oxyde de fer et la production de ce qu'on appelle «l'acier vert».

Aussi omniprésent que soit l'acier dans la société moderne, la production de ce matériau à partir du minerai de fer a peu changé depuis le XVIIe siècle, lorsque l'invention du haut fourneau a accéléré le processus de production et en a fait une marchandise. À l'origine, ces hauts fourneaux utilisaient principalement du charbon de bois comme source de carbone, mais celui-ci a ensuite été remplacé par du coke au début de la révolution industrielle. C'est essentiellement ce que nous utilisons encore aujourd'hui dans les hauts fourneaux modernes.

Le minerai de fer est généralement extrait sous la forme d'un oxyde de fer tel que la magnétite (Fe2+Fe3+2O4) ou l'hématite (Fe2O3), qui est ensuite réduit dans le haut fourneau en exposant l'oxyde de fer à une substance telle que le carbone, avec lequel l'oxygène se lie plus facilement qu'avec le fer. Cette réaction redox conduit à la production de fonte brute, qui est du fer avec un pourcentage de carbone relativement important (3,8 à 4,7% généralement), ainsi que d'autres impuretés. La teneur en carbone de l'acier est généralement comprise entre 0,002% et 2,14%, nécessitant quelques étapes de traitement supplémentaires de la fonte brute pour produire les différentes nuances d'acier.

Là où l'hydrogène entre en jeu, c'est dans cette étape redox, où à la place du carbone, l'hydrogène peut être utilisé comme agent redox. Ce processus est détaillé dans un article de revue de la littérature de 2019 dans Steel Research International par Daniel Spreitzer et Johannes Schenk.

Ce qui est intéressant dans l'utilisation de l'hydrogène pour la réaction redox de l'oxyde de fer, c'est qu'il a un meilleur comportement de diffusion que le monoxyde de carbone (CO) qui est l'agent redox dans un haut fourneau alimenté au coke. Cela signifie que même avec une porosité plus mauvaise dans le minerai de fer, l'hydrogène devrait être plus efficace pour éliminer l'oxygène car il peut se diffuser plus facilement dans le minerai. La même faible viscosité qui fait de l'hydrogène un gaz de refroidissement idéal est également utile ici.

Comme pour tous les processus de production à grande échelle, le diable se cache dans les détails. Étant donné que CO et H2 ne sont pas la même molécule, et se comporteront donc différemment dans les conditions d'un haut fourneau, il n'y a rien de plus compliqué en soi à utiliser l'hydrogène comme agent redox avec de l'oxyde de fer, et ce que l'on appelle "l'acier vert" fabriqué à partir de l'hydrogène plutôt que le coke sont déjà disponibles sur le marché, bien qu'en quantité limitée.

En raison de l'augmentation rapide de la demande d'hydrogène provenant non seulement de l'industrie des engrais, mais aussi de l'acier et d'autres industries, des sources d'hydrogène plus nombreuses et à faible teneur en carbone sont nécessaires. Ici, l'économie derrière les sources d'hydrogène devient un facteur important, l'hydrogène provenant du gaz naturel via SMR coûtant environ 1 $/kg, l'hydrogène provenant d'un électrolyseur fonctionnant uniquement avec des énergies renouvelables coûtant bien plus de 4,40 $/kg. Pour les sources nucléaires (électrolyseur ou thermolyse), les coûts actualisés varient entre 0,69 $ et 4,80 $ selon le type de réacteur, ce qui en fait une option viable d'hydrogène vert aux côtés de la pyrolyse du méthane.

Quelle que soit l'option que nous finissons par choisir, il est difficile de nier l'importance de l'hydrogène pour notre civilisation et la nécessité d'en produire beaucoup plus. Reste à savoir si nous en aurons un jour suffisamment pour pouvoir l'utiliser pour le transport et la production d'e-carburants, actuellement des applications industrielles telles que le passage de l'industrie sidérurgique du coke à l'hydrogène (à faible teneur en carbone) . Ici, nous pouvons voir par exemple Norwegian Blastr investir dans une nouvelle aciérie en Finlande qui utilisera une usine d'hydrogène sur site alimentée par l'hydroélectricité locale.

Le prix de l'hydrogène devant être inférieur à 2 $/kg pour que « l'acier vert » soit viable s'il veut concurrencer l'acier conventionnel, la recherche d'hydrogène bon marché va s'intensifier, ainsi que sa demande. Cela amène à se demander pourquoi on parle de "passer à une économie de l'hydrogène" alors qu'il semble que nous y vivions depuis au moins un siècle maintenant, même si ce n'était pas tout à fait celle des brochures marketing sur papier glacé.