Présentation

Article

1 - PROPRIÉTÉS DE LA MOLÉCULE D’HYDROGÈNE

2 - PROCÉDÉ DE LIQUÉFACTION

3 - EXEMPLE : LE LIQUÉFACTEUR AIR LIQUIDE DU NEVADA

4 - CONCLUSION

5 - GLOSSAIRE

6 - SIGLES, NOTATIONS ET SYMBOLES

Article de référence | Réf : J3603 v2

Glossaire
Liquéfaction de l’hydrogène

Auteur(s) : Thibault PLAYS, Philippe ARPENTINIER

Date de publication : 10 mars 2024

Pour explorer cet article
Télécharger l'extrait gratuit

Vous êtes déjà abonné ?Connectez-vous !

Sommaire

Présentation

Version en anglais English

RÉSUMÉ

Cet article présente l’évolution de la technologie de liquéfaction de l’hydrogène qui, longtemps dédiée à un marché de niche avec des unités de petites capacités (quelques tonnes par jour), connait un renouveau dans le contexte de la transition énergétique en général et de la mobilité hydrogène en particulier. La liquéfaction de l’hydrogène est un procédé basé sur l’utilisation de cycles frigorifiques. Les propriétés particulières de l’hydrogène imposent des étapes spécifiques inhabituelles par comparaison aux procédés de liquéfaction d’autres gaz.

Lire cet article issu d'une ressource documentaire complète, actualisée et validée par des comités scientifiques.

Lire l’article

Auteur(s)

  • Thibault PLAYS : Ingénieur ENS Cachan, - Docteur en énergétique et génie des procédés - Chargé de recherche et enseignement au CEEP (Centre thermodynamique des procédés), France

  • Philippe ARPENTINIER : Ingénieur ENSIC, IFP School - Docteur en génie des procédés, HdR - Direction scientifique, Air Liquide Innovation Campus Paris, France

INTRODUCTION

L’hydrogène liquide est resté très longtemps un marché de niche destiné aux programmes spatiaux, à des industriels ayant besoin d’un produit de pureté élevée ou d’un stockage de secours. Mais avec la croissance du marché de l’hydrogène en vue de la transition énergétique (de 95 Mt/an en 2023, elle est estimée à 621 Mt/an en 2050), la demande se diversifie et nécessite un investissement massif pour répondre au besoin.

En effet, la liquéfaction de l’hydrogène permet une logistique allégée et un stockage volumique plus conséquent. Suivant les cas d’applications, la chaîne logistique basée sur de l’hydrogène liquide peut être moins chère que la version gazeuse. De plus, pour la mobilité lourde (camion, bateau et avion), l’autonomie requise va nécessiter d’embarquer de l’hydrogène liquide.

Les prévisions de marchés prévoient également des pays importateurs et des pays exportateurs d’hydrogène, en fonction du coût de l’énergie et de l'accessibilité aux énergies renouvelables. Pour transporter cet hydrogène sur de longues distances, plusieurs scénarios sont possibles : le combiner à d’autres molécules pour produire des carburants de synthèse ou de l’ammoniac, ou le liquéfier. Cette filière étant émergente, il est difficile de se projeter pour connaître la distribution technologique à venir pour le transport de l’hydrogène sur de longues distances.

Ainsi, la technologie de liquéfaction, connue et exploitée depuis les années 1960, connaît un regain d’intérêt. En effet, pour satisfaire les besoins croissants de la mobilité hydrogène, un accroissement de la capacité (de quelques t/j à plus de 100 t/j) des unités de liquéfaction d’hydrogène est nécessaire, ce qui ouvre de nouvelles voies quant à la configuration du procédé et à son optimisation afin de réduire le coût unitaire de production.

Comme tout procédé de liquéfaction des gaz, celui dédié à l’hydrogène repose sur des cycles de compression/détente. La structure de ces cycles est très variée en fonction de la capacité de traitement, de la méthode de production de l’hydrogène en amont et de son utilisation en aval. Cependant, la nature même de l’hydrogène ajoute des problématiques nouvelles à la technologie de liquéfaction, problématiques non présentes dans les technologies de liquéfaction de gaz plus « classiques » (azote, CO2, méthane).

La première différence notable due à l’hydrogène est sa température de liquéfaction (20,4 K à pression atmosphérique). Cette température très basse impose de prendre des mesures pour garantir la performance de l’unité et sa sécurité. L’isolation à mettre en œuvre pour limiter les entrées thermiques est beaucoup plus conséquente et toute la partie du procédé en dessous de la température de liquéfaction de l’air doit se faire dans une boîte sous vide. Cette température de liquéfaction très basse conduit à mettre en place une étape de purification importante afin d’éviter la solidification d’impuretés présentes dans l’hydrogène.

La deuxième différence importante est liée à une propriété intrinsèque de l’hydrogène. En réalité, « l’hydrogène » est un mélange de deux isomères de spin : la forme ortho- et la forme para-hydrogène. La distribution entre ces deux isomères est fonction de la température, ainsi au cours du cycle de liquéfaction, elle va évoluer et cela va avoir un impact significatif sur la conception et la performance du procédé.

Compte tenu des propriétés spécifiques de l’hydrogène, d’une part, et de l’évolution du marché, d’autre part, la tendance actuelle consiste à concevoir des liquéfacteurs de grande capacité et à développer des cycles de réfrigération visant à minimiser les irréversibilités de façon à minimiser le coût de liquéfaction. C’est cette évolution que cet article se propose d’étudier.

Après un passage en revue des propriétés particulières de l’hydrogène, les différentes étapes du procédé de liquéfaction sont décrites : la purification, le prérefroidissement, la conversion catalytique de l’ortho-hydrogène en para-hydrogène et le cycle de liquéfaction. Un exemple de réalisation industrielle d’une capacité de 30 t/j est présenté dans la dernière partie, c’est un liquéfacteur conçu, construit et démarré par Air Liquide dans le Nevada aux États-Unis en 2022. Enfin, dans la conclusion sont analysées les pistes par lesquelles la réduction des coûts de liquéfaction de l’hydrogène peut être obtenue : augmentation de l'efficacité énergétique, effet d’échelle et/ou standardisation et modularisation des unités. Les axes de recherche et développement y sont également présentés.

Cet article est réservé aux abonnés.
Il vous reste 95% à découvrir.

Pour explorer cet article
Téléchargez l'extrait gratuit

Vous êtes déjà abonné ?Connectez-vous !


L'expertise technique et scientifique de référence

La plus importante ressource documentaire technique et scientifique en langue française, avec + de 1 200 auteurs et 100 conseillers scientifiques.
+ de 10 000 articles et 1 000 fiches pratiques opérationnelles, + de 800 articles nouveaux ou mis à jours chaque année.
De la conception au prototypage, jusqu'à l'industrialisation, la référence pour sécuriser le développement de vos projets industriels.

VERSIONS

Il existe d'autres versions de cet article :

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v2-j3603


Cet article fait partie de l’offre

Hydrogène

(48 articles en ce moment)

Cette offre vous donne accès à :

Une base complète d’articles

Actualisée et enrichie d’articles validés par nos comités scientifiques

Des services

Un ensemble d'outils exclusifs en complément des ressources

Un Parcours Pratique

Opérationnel et didactique, pour garantir l'acquisition des compétences transverses

Doc & Quiz

Des articles interactifs avec des quiz, pour une lecture constructive

ABONNEZ-VOUS

Lecture en cours
Présentation
Version en anglais English

5. Glossaire

Cycle frigorifique ; refrigeration cycle

Le cycle frigorifique est un cycle thermodynamique qui permet d’abaisser la température d’un milieu relativement froid (la source froide) et simultanément d’augmenter la température d’un autre milieu relativement chaud (la source chaude) au moyen d’une dépense d’énergie mécanique (cycle de compression/détente). L’utilisation d’un fluide dans le cycle frigorifique permet d’évacuer la chaleur récupérée. Ce fluide, par nécessaire économie, circule en boucle dans le cycle frigorifique.

Fluide réfrigérant ou frigorigène ; refrigerant/working fluid

Le fluide frigorigène est l’un des composants essentiels du cycle frigorifique, car c’est lui qui permet de le mettre en œuvre. Il s’agit d’un fluide ou d’un mélange de fluides présentant des propriétés thermodynamiques particulières permettant d’exploiter un cycle de compression/détente pour transférer de la chaleur.

HAUT DE PAGE

Cet article est réservé aux abonnés.
Il vous reste 95% à découvrir.

Pour explorer cet article
Téléchargez l'extrait gratuit

Vous êtes déjà abonné ?Connectez-vous !


L'expertise technique et scientifique de référence

La plus importante ressource documentaire technique et scientifique en langue française, avec + de 1 200 auteurs et 100 conseillers scientifiques.
+ de 10 000 articles et 1 000 fiches pratiques opérationnelles, + de 800 articles nouveaux ou mis à jours chaque année.
De la conception au prototypage, jusqu'à l'industrialisation, la référence pour sécuriser le développement de vos projets industriels.

Cet article fait partie de l’offre

Hydrogène

(48 articles en ce moment)

Cette offre vous donne accès à :

Une base complète d’articles

Actualisée et enrichie d’articles validés par nos comités scientifiques

Des services

Un ensemble d'outils exclusifs en complément des ressources

Un Parcours Pratique

Opérationnel et didactique, pour garantir l'acquisition des compétences transverses

Doc & Quiz

Des articles interactifs avec des quiz, pour une lecture constructive

ABONNEZ-VOUS

Lecture en cours
Glossaire
Sommaire
Sommaire

BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - Mc CARTY (R.D.), HORD (J.), RODER (H.M.) -   Selected Properties of Hydrogen.  -  NBS Monograph, 168 (1981).

  • (2) - Air Liquide, Division scientifique -   Encyclopédie des gaz.  -  Amsterdam, Elsevier (1976).

  • (3) - HENDREICKS (R.C.), PELLER (I.C.), BARON (A.K.) -   Joule-Thomson inversion curves and related coefficients for several simple fluids.  -  NASA Technical Note D-6807 (1972).

  • (4) - AL GHARFI (S.ZS.) et al -   Hydrogen liquefaction : a review of the fundamental physics, engineering practice and future opportunities.  -  Royal Society of Chemistry, 15, p. 2690-2731 (2022).

  • (5) - BERSTAD (D.), SKAUGEN (G.), WILHELMSEN (O) -   Dissecting the exergy balance of a hydrogen liquefier : Analysis of a scaled-up Claude hydrogen liquefier with mixed refrigerant pre-cooling.  -  International Journal of Hydrogen Energy, 46, 11, p. 8014-8029 (2020).

  • ...

NORMES

  • Installation des systèmes mettant en œuvre l'hydrogène. - NF M58-003 -

Cet article est réservé aux abonnés.
Il vous reste 94% à découvrir.

Pour explorer cet article
Téléchargez l'extrait gratuit

Vous êtes déjà abonné ?Connectez-vous !


L'expertise technique et scientifique de référence

La plus importante ressource documentaire technique et scientifique en langue française, avec + de 1 200 auteurs et 100 conseillers scientifiques.
+ de 10 000 articles et 1 000 fiches pratiques opérationnelles, + de 800 articles nouveaux ou mis à jours chaque année.
De la conception au prototypage, jusqu'à l'industrialisation, la référence pour sécuriser le développement de vos projets industriels.

Cet article fait partie de l’offre

Hydrogène

(48 articles en ce moment)

Cette offre vous donne accès à :

Une base complète d’articles

Actualisée et enrichie d’articles validés par nos comités scientifiques

Des services

Un ensemble d'outils exclusifs en complément des ressources

Un Parcours Pratique

Opérationnel et didactique, pour garantir l'acquisition des compétences transverses

Doc & Quiz

Des articles interactifs avec des quiz, pour une lecture constructive

ABONNEZ-VOUS