Propriétés de la molécule d’hydrogène
Liquéfaction de l’hydrogène

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.