L’hydrogène : dangers et risques industriels

L’hydrogène vert, le nouvel eldorado

Le plan hydrogène en France

Lors des derniers siècles, l’intensification de l’activité humaine nous a amené à atteindre de nombreuses limites planétaires, comme l’épuisement de notre écosystème et de nos ressources naturelles. Autre enjeu, la concentration en CO₂ dans l’atmosphère et la quantité de gaz à effets de serre émis qui sont directement corrélées au réchauffement planétaire global et au dérèglement climatique.

Pour faire face à cette crise énergétique renforcée par le contexte politico-économique actuel, les états se sont engagés via les accords de Paris à contenir le réchauffement (limite cible de 2°C entre 1850 et 2100). L’objectif fixé est de réduire les émissions mais également de substituer les besoins en ressources fossiles par le développement de nouvelles énergies durables et renouvelables.

Au cœur de ces alternatives, l’hydrogène est considéré comme le futur carburant pour la mobilité de demain. Il offre la possibilité d’être produit, stocké, transporté et utilisé.

Sur le plan national de la France, la filière de l’hydrogène est soutenue par un financement de 7 milliards d’euros, avec une ambition forte pour 2030 : développer l’hydrogène vert, totalement décarboné pour une mobilité durable et limiter à 2°C le réchauffement.

Cela implique le déploiement à grande échelle des techniques de fabrication (Vaporeformage ; Oxydation partielle ; Gazéification ; Electrolyse) et la prise en compte systématique de la balance apport vs coût énergétique (Etude Carbone 4 – Octobre 2022 : Hydrogène bas-carbone : quels usages pertinents à moyen terme dans un monde décarboné ?)

Une filière en pleine mutation

Les acteurs sont multiples, tout comme les stratégies d’exploitation de l’énergie contenue dans l’hydrogène.

• Certains acteurs envisagent que l’hydrogène soit en fonction des besoins du marché réinjecté (à différente pression), sous forme gazeuse au sein d’un réseau de pipelines dédié, que ce soit sous sa forme pure ou bien mélangé.
• D’autres considèrent une étape préalable de stockage, via une pile à combustible. Dans ce cas, l’hydrogène sera conservé sous forme gazeuse ou liquide, puis employé dans un second temps pour la production d’électricité.

Si nous raisonnons de manière globale, certains facteurs joueront un rôle crucial dans cette approche, notamment les moyens de distribution, d’acheminement et de stockage de cette énergie sur les territoires afin de décarboner les usages concernés (mobilité, industrie, chauffage / alimentation bâtiments, énergie supplémentaire…).

S’ensuit alors une question, quels sont les dangers induits par la manipulation d’hydrogène et comment sécuriser ces installations ?

L’enjeu sécuritaire de l’hydrogène

Les enjeux sécuritaires autour de l’hydrogène sont réels. L’une des difficultés majeures est la jeunesse de ce secteur industriel, en pleine construction et au modèle de déploiement encore incertain.

L’hydrogène, un gaz inflammable

En premier lieu, l’hydrogène est un gaz peu toxique. Il est toutefois extrêmement inflammable et réactif (incendie, explosion...).

Ce gaz a la capacité de former des mélanges explosifs avec l’air dans des limites très larges (4 à 77 % en volume) et même exploser spontanément en cas d’élévation forte de température ou de pression (source INRS).

Pour rappel, un gaz ou liquide combustible peut s’enflammer au contact d’un comburant (oxygène pur, air enrichi ou air naturel) dans la limite de proportions de mélange appelées limite inférieure d’explosivité (LIE) et limite supérieure d’explosivité (LSE) et en présence d’un apport d’énergie.

En dessous de la LIE, le mélange ne contient pas suffisamment de combustible pour s’enflammer et au-dessus de la LSE il ne contient pas suffisamment de comburant pour s’enflammer.

Source ADEME : Guide d’information sur les risques et les mesures de sécurité liés à la production décentralisée d’hydrogène.

Le danger des fuites d’hydrogène

La prise en compte de l’inflammabilité de l’hydrogène est une problématique omniprésente dans l’industrie pour la protection des personnes et des équipements, tout aussi bien présent sur les sites de production et de transformation énergétique que lors de son transport ou en phase de conditionnement.

Dans tous les cas, les risques de fuite sont importants. Selon les estimations des scientifiques, la production et l'utilisation d'une tonne d'hydrogène pourrait laisser s'échapper entre 5 et 30 kg. Cette fourchette aurait le même impact sur le climat que 1 à 6 tonnes de CO₂.

L’hydrogène étant un gaz très inflammable, le risque d’explosion et d’incendie est réel et peut avoir de grandes conséquences.

Un enjeu de formation et de sensibilisation

Quoique soit l’émergence des usages, la manipulation d’une substance hautement inflammable impose une sensibilisation et une formation de bon nombre d’acteurs industriels.

Chacun à son échelle se doit de prendre conscience de la nécessité de sécuriser les sites industriels face au risque et au danger de l'hydrogène, et ce à différents niveaux de la chaîne de valeur, qu’ils soient néophytes ou bien ayant déjà une expérience sur d’autres types d’énergies (gaz naturel par exemple).

Cette sensibilisation pour la protection des personnes et des équipements devra concerner tous les acteurs et tous les responsables de sécurité industrielle : fabricants d’unités de stockage (réservoirs, pile), acteurs de la mobilité (automobile, ferroviaire, air & space…), installateurs d’infrastructures (distribution, stations de recharge), sans oublier contractants en charge de la maintenance.

L’innovation au service de la sécurité

Quels moyens existants pour détecter la présence d’hydrogène ?

On trouve aujourd’hui différentes méthodes pour détecter l’hydrogène. On peut utiliser l’approche classique, celle de l’eau savonneuse pour faire apparaître des bulles sur chaque composant candidat.

Il existe également des capteurs d'hydrogène microélectroniques (renifleurs) qui fonctionnent à l’aide de semi-conducteurs, par oxydation catalytique. Ces appareils sont très efficaces pour certains usages mais présentent quelques limites. Ils nécessitent notamment un apport d’énergie (électricité), pas toujours possible, et qui induit un risque important d'explosion.

Par ailleurs, la détection est localisée, ponctuelle. L'utilisation de capteurs électroniques pour monitorer l’échappement d’hydrogène tout au long d’un pipeline est par exemple impossible. Cette solution imposerait la mise en place d’un réseau complexe de capteurs.

Où détecter les fuites d’hydrogène ?

La difficulté majeure pour détecter l'échappement d’hydrogène est la multitude des lieux à inspecter. Traditionnellement avec un gaz classique, la principale cause d'échappement est localisée autour des raccords, des jonctions, des soudures.

Avec l’hydrogène, la situation est bien plus complexe. Les molécules d’hydrogène sont de petites tailles. Les origines d'un échappement d’hydrogène sont multiples :

• Perméation à travers certains types de matériaux en raison de la très faible taille des molécules d’hydrogène,
• Usure de pièces critiques liée à un phénomène de corrosion ou par simple fatigue mécanique,
• Défaut d’étanchéité inhérent à un mauvais sertissage de produits, serrage mais aussi après exposition à des vibrations répétées, notamment dans le secteur du transport,
• Rupture complète de produits à la suite d’un choc externe, une surpression, ou une élévation brutale de température.

Les peintures à changement de couleur : la détection de fuite d’hydrogène

A l’aide notre savoir-faire unique en intelligence des couleurs, nos équipes du département recherche et développement d’OliKrom ont conçu et produit des matériaux à changement de couleur dans le but de tracer la présence d’hydrogène.

Nous exploitons pour cela, la propriété de certains matériaux chimiochromes, capables de changer de couleur sous l’influence d’un gaz.

La production d’encres et de peintures réactives à l’hydrogène est un outil précieux de maintenance prédictive et de sécurité industrielle. Cela permet de traquer l'échappement d’hydrogène sur de grandes surfaces et dans leur intégralité (pipelines, réservoirs, structures métalliques ou textiles techniques). Cette solution de rupture s'adapte aux différentes conditions environnementales : usage intérieur, extérieur, exposition au gel, aux fortes chaleurs, aux intempéries.

L’usage d’encres et de peintures à changement de couleur pour signaler une fuite d’hydrogène présente l’avantage d’être compréhensible par tous, sans aucun besoin d’ordinateur.

Autre avantage de cette approche, c’est un phénomène chimique programmé à l’échelle du matériau, qui ne nécessite aucun apport d’énergie, d’électricité. Le changement de couleur intervient en toute autonomie, uniquement lorsque le seuil de détection d'hydrogène est dépassé.