Protection Ex sur mesure pour l'électrolyse

L'électrolyse

Les besoins sont gigantesques : rien qu'au sein de l'Union européenne, 10 millions de tonnes d'hydrogène devraient être produites chaque année à partir d'énergies renouvelables d'ici 2030 – c'est ce que prévoit le plan REPowerEU de la Commission européenne. Et presque toutes les grandes nations industrielles du monde ont adopté leurs propres stratégies en matière d'hydrogène. Les électrolyseurs jouent ici un rôle clé : ils permettent de produire de l'hydrogène vert à partir d'électricité et d'eau produites de manière renouvelable. Même si tout le monde en parle en ce moment, la capacité réelle des électrolyseurs d'hydrogène actuellement installés reste homéopathique par rapport aux besoins : la capacité actuelle d'électrolyse dans le monde est d'environ 0,2 gigawatt, contre un besoin estimé à 40 gigawatts d'ici 2030 – et selon une étude d'Aurora Energy Research, cette capacité devrait même atteindre 213 GW d'ici 2040.

Les acheteurs d'hydrogène proviennent de nombreux secteurs de l'économie, notamment de segments pouvant difficilement être décarbonés sans hydrogène : l'industrie de l'acier et du ciment ainsi que le secteur chimique. Mais il ne s'agit pas seulement de son utilisation comme matière première et gaz énergétique. Dans le cadre du couplage sectoriel, l'hydrogène vert sert également de stockage d'énergie pour l'électricité excédentaire produite par les éoliennes ou les installations solaires : sous forme de gaz ou transformé en ammoniac ou en hydrocarbures synthétiques.

Parmi les nombreux procédés d'électrolyse, on compte outre l'électrolyse alcaline qui est la plus répandue à ce jour, l'électrolyse à membrane échangeuse de protons dite électrolyse PEM qui est encore relativement récente. Son principal avantage est qu'elle peut fonctionner à pleine charge en quelques secondes, une caractéristique de plus en plus importante compte tenu des fortes fluctuations des quantités d'électricité éolienne et solaire. Dans le cadre de l'électrolyse PEM, une membrane spéciale permet le passage des atomes d'hydrogène chargés positivement (protons) qui se forment à l'anode, puis migrent à travers la membrane vers la cathode. À la cathode, les protons absorbent des électrons et se combinent pour former des molécules d'hydrogène.

En termes de sécurité, la séparation entre les compartiments de la cathode et de l'anode ainsi que de l'air ambiant est essentielle – car l'hydrogène qui s'échappe de l'installation forme un mélange extrêmement explosif avec l'oxygène de l'air ambiant ou du compartiment de l'anode.

Protection contre les explosions dans les installations d'hydrogène

Une particularité de l'hydrogène par rapport à d'autres gaz combustibles est son domaine d'explosivité très large : sont considérés comme explosifs les mélanges dont la teneur est comprise entre 4 et 77 % en volume – et dans le cas des explosions d'hydrogène, les flammes se propagent très rapidement. De plus, l'inflammation d'un mélange hydrogène-air ne nécessite que peu d'énergie : avec 0,02 mJ, l'énergie d'inflammation est 15 fois inférieure à celle du méthane. C'est aussi pour cette raison que l'hydrogène est classé dans le groupe d'inflammation le plus dangereux (IIC). Si les explosions avec l'hydrogène sont malgré tout relativement rares, c'est notamment grâce à la vaste expérience acquise dans l'industrie (pétro)chimique lors de la manipulation de ce gaz. La condition préalable est toutefois le respect des normes de sécurité applicables en matière de protection contre les explosions, dont les normes CEI 60079 et CEI 80079, ainsi que la satisfaction des exigences spéciales relatives à la construction et à l'exploitation des installations d'électrolyse, décrites dans la norme ISO 22734.

Outre l'étanchéité du système (protection primaire contre les explosions), la prévention des sources d'inflammation (protection secondaire contre les explosions) joue un rôle important. La répartition des zones résultant de l'analyse des risques est déterminante à cet égard : la zone 0 désigne les environnements dans lesquels des atmosphères explosives se produisent pendant une longue période ou sont fréquemment présentes, tandis que dans la zone 2, des atmosphères explosives ne se produisent que rarement en fonctionnement normal, même pour une courte période. Ceci peut être évité dans les installations d'électrolyse, par exemple grâce à une ventilation forcée.

Électrolyse PEM pour la production d'engrais

Pour réussir la montée en puissance de l'économie de l'hydrogène, une production en masse des électrolyseurs est nécessaire. À cet effet, les fabricants misent sur une construction modulaire et atteignent de grandes capacités en juxtaposant des modules individuels. Pour un grand fabricant d'électrolyseurs à base de PEM, R. STAHL a contrôlé tous les composants de l'électrolyseur afin de détecter des sources d'inflammation potentielles dans le cadre d'un projet de fabrication d'hydrogène pour la production d'engrais, et a réalisé la protection contre les explosions pour les matériels électriques. Avec une capacité d'électrolyse de 24 mégawatts et basée sur 12 modules d'électrolyse, l'installation fournira à l'avenir de l'hydrogène vert pour la production de 20 500 tonnes d'ammoniac par an. Celles-ci seront à leur tour utilisées pour la production d'environ 80 000 tonnes d'engrais respectueux de l'environnement. Par rapport à la production classique basée sur le gaz naturel, le nouveau procédé permet d'économiser chaque année environ 41 000 tonnes d'émissions de dioxyde de carbone.

En raison de la forte concentration d'hydrogène dans les installations d'électrolyse, l'environnement proche de l'installation est classé en zone Ex 2 IIC T1 : une atmosphère explosive peut se produire rarement et pour une courte période ; en raison du comportement explosif de l'hydrogène, celui-ci appartient au groupe de gaz le plus élevé (IIC) et la température de surface maximale autorisée n'est que de 450 °C selon T1. La technique utilisée dans la zone Ex doit être conçue en conséquence.

En ce qui concerne l'équipement électrique, une attention particulière a été accordée au développement d'une solution aussi évolutive et compacte que possible en raison de l'espace disponible limité ; cette solution permet d'atteindre simultanément une sécurité globale au niveau de l'exploitation, de la transmission des signaux et des connexions électriques pour l'ensemble du cycle de vie de l'installation. Il faut par exemple veiller à ce que les capteurs installés dans le système transmettent leurs informations en toute sécurité à la commande installée dans la zone non Ex. La surveillance de la tension continue nécessaire à l'électrolyse est particulièrement importante – l'une des nombreuses particularités du fabricant de l'installation, qui a nécessité une compréhension et une écoute attentive de la part des participants au projet du côté de R. STAHL.
 

Composants standard configurés sur mesure

La tâche a été résolue entre autres grâce à l'utilisation d'isolateurs galvaniques ISpac, qui servent de « sas de sécurité » entre les signaux électroniques côté commande et les signaux de sécurité intrinsèque (Ex i) côté capteur, et les isolent galvaniquement les uns des autres. Toutes les lignes d'alimentation et de commande de l'électrolyseur se rejoignent dans des boîtes de raccordement. Dans ce projet spécifique, près de 100 boîtes de raccordement Ex e de la série 8150 en acier inoxydable et particulièrement résistantes ont été utilisées. Conçus selon le degré de protection IP 66, ces boîtiers étanches à la poussière résistent également aux jets d'eau puissants. Le joint en silicone utilisé dans le couvercle du boîtier est adapté aux plages de températures extrêmes.

Enfin, les dispositifs de commande et de signalisation montés sur place dans l'installation, dont les interrupteurs ou les boutons d'arrêt d'urgence, doivent satisfaire aux exigences de la protection contre les explosions. Dans ce cas précis, le choix s'est porté sur des postes de commande et de signalisation de la série 8040 de R. STAHL : ceux-ci sont particulièrement flexibles et peuvent être commandés avec différents éléments de manœuvre.

Le fait que R. STAHL puisse fournir, en plus de ces composants clés, d'autres matériels adaptés à une utilisation en zone Ex – dont notamment des E/S déportées, des dispositifs d'alimentation sans interruption (ASI) ainsi que des équipements d'éclairage – a également joué un rôle dans le choix du partenaire chargé de la protection Ex. Étant donné que les projets d'électrolyse dépendent également de la capacité et la rapidité de livraison, la construction de solutions sur mesure à partir de composants standard est déterminante. Autrement, une certification Ex coûteuse est nécessaire pour la solution. Dans la mesure où R. STAHL propose un vaste programme de dispositifs et de solutions également certifiés pour une utilisation dans des applications d'hydrogène, rien ne s'oppose au développement de solutions sur mesure pour les conceptions futures d'électrolyseurs d'hydrogène.