Un analyseur de plasma de méthane permet de réduire les coûts de production d’hydrogène

Les vannes de régulation de process de Bürkert ont déjà démontré leur fiabilité dans de nombreuses applications liées à l’hydrogène. Graforce les utilise par exemple dans les électrolyseurs à plasma de méthane, qui produisent de l’hydrogène et du carbone solide avec un rendement élevé et un coût relativement faible.

L’hydrogène recèle un énorme potentiel énergétique et n’est pas seulement présent dans l’eau. C’est un composant de nombreux composés organiques et inorganiques dans les eaux usées industrielles, le lisier, le plastique ou les gaz. Graforce propose des électrolyseurs à plasma qui produisent de l’hydrogène à partir de composés chimiques riches en énergie présents dans les résidus, avec des coûts de fabrication nettement inférieurs et des rendements plus élevés.

L’hydrogène vert – une énergie pour l’avenir

L’hydrogène, avec sa haute teneur en énergie, est considéré comme une aide importante dans la transition énergétique et comme une alternative « verte » à l’essence, au diesel et autres. Non seulement il peut être brûlé directement de manière conventionnelle, mais il peut également être utilisé pour la production électrochimique d’électricité et de chaleur. Riche en énergie, ce gaz convient à la propulsion des véhicules, des bateaux et même des avions. Au lieu de produire des particules fines, des oxydes d’azote et d’autres polluants atmosphériques, les gaz d’échappement ne contiennent alors que de la vapeur d’eau.

Production d’électricité et de chaleur sans émissions de CO ₂

Cependant, si l’hydrogène est obtenu par électrolyse, c’est-à-dire par la décomposition de l’eau en hydrogène et en oxygène à l’aide d’électricité, sa production nécessite beaucoup d’énergie et est donc coûteuse. « Le coût par kilogramme d’hydrogène est en moyenne de 6 à 9 euros », sait Kai Dame, ingénieur en développement chez Graforce GmbH. « L’hydrogène est cependant lié de manière beaucoup plus solide dans l’eau que dans d’autres composés chimiques. Nos plasmalyseurs ont donc besoin de beaucoup moins d’énergie, car ils n’extraient pas l’hydrogène de l’eau, mais d’autres composés chimiques riches en énergie. Dans le biogaz ou le gaz naturel, par exemple, l’hydrogène n’est que faiblement lié. Il suffit donc de 10 kWh d’énergie pour obtenir 1 kg d’hydrogène et 3 kg de carbone élémentaire à partir de 4 kg de biogaz ou de gaz naturel. Les coûts baissent à seulement 1,5 à 3 euros en moyenne par kilogramme d’hydrogène ».

Dans les plasmolyseurs du méthane de Graforce, un champ de tension à haute fréquence est généré à partir de l’énergie solaire ou éolienne afin de décomposer le méthane en ses composants moléculaires, l’hydrogène (H2) et le carbone (C). Chaque système de plasmalyseur a une capacité allant jusqu’à 500 kW ou 550 Nm³ (mètres cubes normaux) d’hydrogène par heure et peut être étendu de manière modulaire. Il est ainsi possible de produire de la chaleur et de l’électricité sans émissions de CO ₂ en combinaison avec une unité de cogénération à l’hydrogène (centrale de cogénération) ou une pile à combustible SOFC (pile à combustible à oxyde solide). Il est possible d’utiliser le carbone solide comme matière première industrielle, par exemple pour la production d’acier, de fibres de carbone et d’autres structures à base de carbone. Près de Linz, par exemple, un tel plasmalyseur de méthane a été mis en service en avril 2023 près d’un réservoir de stockage en caverne.

Les composants clés de l’installation sont deux réacteurs dans lesquels a lieu la décomposition plasmalytique du méthane. L’installation dispose également d’un dispositif de séparation des deux flux de produits, l’hydrogène et le carbone solide, de dispositifs de récupération de la chaleur du processus et de réservoirs tampons pour l’hydrogène produit. Celui-ci est envoyé à une station de compression à une pression de 500 mbar, puis comprimé à une pression de 25 bar. L’installation d’environ 25 m de haut est intégrée dans l’ensemble de l’installation de l’exploitant via des interfaces pour la technique de commande, le flux de fluides et l’air comprimé et produit 50 kg d’hydrogène par heure.

Dans les plasmalyseurs de méthane de Graforce, un champ de tension à haute fréquence est généré à partir de l’énergie solaire ou éolienne afin de décomposer le méthane en ses composants moléculaires, l’hydrogène (H2) et le carbone (C).

Robinetterie de process résistante à l’hydrogène

Un grand nombre de robinetteries de processus sont nécessaires pour que l’hydrogène et le carbone puissent être produits en toute sécurité et avec une qualité élevée dans l’installation de plasmalyse du méthane. L’application de l’hydrogène est toutefois exigeante dans ce domaine, car l’atome d’hydrogène a la plus petite masse et est donc très volatile. L’hydrogène étant en outre un gaz inflammable et potentiellement explosif, tous les composants qui entrent en contact avec lui doivent répondre à des exigences d’étanchéité élevées. De plus, il a la fâcheuse tendance à se diffuser dans les métaux et à modifier les propriétés des matériaux. Il peut en résulter des fragilisations ou de la corrosion.

La startup berlinoise a trouvé son bonheur dans la gamme de produits de Bürkert. Dans l’installation de plasmalyse, près de 50 vannes de process de diamètre nominal DN 15 à DN 65 sont aujourd’hui utilisées avec des actionneurs pneumatiques, par exemple les vannes pneumatiques à siège incliné et à siège droit (type 2000 et type 2012) sur les sections hydrogène et carbone. Grâce à leur grande fiabilité, ils offrent une longue durée de vie avec une chute de pression minimale. Des systèmes de régulation de processus avec positionneur de type 8802 ainsi que des vannes à bille avec actionneur pneumatique pivotant (type 8805) sont utilisés sur les réacteurs.

Environ 50 vannes de process sont utilisées sur les lignes d’hydrogène et de carbone. Des systèmes de régulation de processus avec positionneur ainsi que des vannes à bille avec actionneur pivotant pneumatique sont utilisés sur les réacteurs.

La commande est assurée par des îlots de distributeurs du type 8652 AirLINE. « Leurs dimensions compactes leur permettaient d’être facilement installés dans les armoires électriques, à proximité immédiate du processus », ajoute Dame. Bürkert aurait pu fournir des armoires électriques adaptées, mais Graforce a décidé de les construire soi-même. « Nous voulons garder le plus de choses possible en main pour nos installations ; nous utiliserons peut-être cette possibilité plus tard pour un autre projet », ajoute Dame.

Des voies de communication courtes et une livraison rapide

Plusieurs raisons ont motivé le choix des vannes de régulation de process Bürkert. Ainsi, Bürkert dispose d’un grand savoir-faire dans les applications à l’hydrogène et les matériaux utilisés résistent aux exigences spécifiques de ce domaine d’application. Il n’y a pas à craindre de fragilisation ou de fuites.

Graforce utilise également des vannes Bürkert dans une autre installation. Un plasmalyseur d’eau sale, en service depuis longtemps, a été converti en électrovannes à double bobine et en électronique Kick and Drop afin de réduire la chaleur dégagée et la consommation d’électricité. La bobine est ici d’abord surexcitée par une impulsion de tension élevée afin de générer la force d’attraction élevée nécessaire à l’ouverture de la vanne. Après quelques millisecondes, l’électronique intégrée dans la bobine surpressée passe en mode de maintien à faible consommation d’énergie. Les vannes consomment ainsi jusqu’à 80 % d’énergie en moins que les solutions conventionnelles.