Un cauchemar mécanique, l’hydrogène ? « Dans le milieu, nous parlons de tue-l’amour, mais c’est ce qui en fait un challenge passionnant ! », sourit le responsable des partenariats hydrogène au Centre technique des industries mécaniques (Cetim), Jérémy Viale. Omniprésent dans les plans de transition verte, l’élément, utilisé sous forme de dihydrogène, donne pourtant du fil à retordre à ceux qui s’y frottent, en raison de l'espace qu'il nécessite comme de sa capacité à pénétrer, voire fragiliser, les matériaux qu’il côtoie.
Mais cette petite molécule, qui contient beaucoup d’énergie et peut être produite sans émettre de CO2, s'avère « incontournable pour stocker l’énergie intermittente à l’échelle industrielle et décarboner de nombreux secteurs », souligne Jérémy Viale. D’où une mobilisation générale des acteurs de la filière mécanique pour développer des solutions adaptées à son transport, son stockage et sa compression. En 2022, le Cetim a fait de cet objectif une priorité stratégique, en lui consacrant 25 millions d’euros sur 4 ans. Une somme justifiée par la complexité de « la manipulation industrielle du fluide hydrogène », dont les défis peuvent cantonner sa pertinence à certaines applications mais où « chaque verrou technologique cache des opportunités industrielles majeures », argumente l’ingénieur mécanicien.
Une chaîne de valeur à construire
Tuyaux, valves, compresseurs, échangeurs thermiques, joints… Pour faire le pont entre la production de l’hydrogène décarboné (via des électrolyseurs) et son utilisation, tout un panel de pièces spécifiques doivent être fabriquées, et parfois inventées. Certes, la molécule est bien connue de l’industrie. Mais elle est peu disséminée et souvent produite directement sur les grands sites consommateurs, dans le raffinage, les engrais ou le spatial… « Entre le moment où l’on fait le plein d’une fusée et la fin de sa mission, il se passe 20 minutes », rappelle même Jérémy Viale. Face à l’enjeu de la démocratisation de l’hydrogène, il est donc impératif de mieux connaître ses effets dans le temps et de mettre au point des solutions abordables, qui ne peuvent compter sur les matériaux coûteux et les renouvellements fréquents qui sont actuellement la norme, estime l’ingénieur.
Des difficultés techniques aux airs d'aubaines industrielles. « La chaîne de valeur nécessaire pour transporter et distribuer l’hydrogène à l’échelle pertinente pour décarboner notre mix énergétique est nouvelle », résume Nicolas Bulot, chargé du service calculs dans l’usine de Saint-Nazaire (Loire-Atlantique) de Man Energy Solutions et délégué régional de l’association France Hydrogène. Pour sensibiliser les industriels de la région au sujet, le groupe allemand, champion mondial de la motorisation diesel des gros navires marchands et depuis peu lui-même producteur d'hydrogène, a hébergé fin 2022 une conférence technique du Cetim rappelant les difficultés posées par la gestion du plus petit élément de l’univers. Et les manières dont la mécanique peut y faire face.
Caractériser métaux et équipements
Incolore et inodore, l’hydrogène est un combustible dangereux. Il peut exploser et s’enflamme facilement en présence d’oxygène, générant alors une flamme… invisible. Complexité supplémentaire, la molécule contient très peu d’énergie en volume à pression ambiante et doit être comprimée ou liquéfiée. Elle se distingue alors par des comportements thermodynamiques fantasques (comme le fait de se réchauffer lorsqu’elle perd en pression) et sa tendance à s’infiltrer partout. Au risque de s'évaporer à travers des parois en plastique, de fragiliser les équipements métalliques ou de modifier leurs propriétés. Dans le pire des cas, « l’hydrogène peut générer des bulles microscopiques avec une pression pouvant atteindre jusqu’à un million de bars et fissurer les matériaux », décrit ainsi Jérémy Viale.
Autant de défis de sécurité auxquels peuvent répondre des travaux de caractérisation et de normalisation, rassure l’ingénieur. Soulignant que malgré sa propension à prendre de la place, la molécule est particulièrement légère. « La densité énergétique de l’hydrogène, qui contient trois fois plus d’énergie que l’essence par kilo, est aussi un atout », souligne-t-il, en pointant que « du bon côté de la médaille, il s’élève et se dissipe rapidement en cas de fuite. » Dans le cadre de son grand plan d’investissement, baptisé Hymeet, le Cetim prévoit d’installer un centre de caractérisation dédié à l’hydrogène à Nantes (Loire-Atlantique), où de multiples machines et bancs d’essais devront permettre aux industriels de tester et d'identifier les performances mécaniques et d'étanchéité de leurs produits. Un travail indispensable pour distinguer les pièces résistantes à l’hydrogène – « l’inox 316 se comporte bien », glisse en exemple Jérémy Viale – de celles qu’il faudra remplacer.
Selon les usages, des ordres de grandeur et des chantiers technologiques émergent déjà. « Jusqu’à 20% d’hydrogène en volume, un réseau de méthane n’a pas besoin de modifications majeures. Mais transporter de l’hydrogène pur à 67 bars peut nécessiter l’inspection des infrastructures et de s’intéresser à leur durabilité », estime ainsi Jérémy Viale en référence aux futurs réseaux. Du côté des tuyaux par exemple, les parois métalliques internes, sensibles à l’hydrogène, pourraient être recouvertes de revêtements pour limiter les interactions néfastes. Des idées nouvelles font leur apparition, telles celle de la start-up vendéenne Lhyfe, qui travaille avec l’hollandais Strohm pour raccorder sa production d’hydrogène offshore avec des tuyaux en composites thermoplastiques.
« Le stockage est un défi contre la physique »
Faire circuler le gaz favorise aussi l’innovation dans les compresseurs. Ces bijoux mécaniques, optimisés pour l’air ou le méthane, perdent en efficacité face à la légèreté de l’hydrogène, note un rapport de Siemens. Les machines centrifuges, notamment, misent sur l’énergie cinétique des molécules et doivent donc accélérer pour tasser l'élément, au prix de complexités mécaniques et thermiques et d’une augmentation de l’énergie qu’ils consomment. Des compresseurs à piston, plus efficaces pour l’hydrogène et incontournables à haute pression, existent mais doivent encore être optimisés pour un usage fréquent dans les futurs hydrogénoducs et les stations de recharge. Un secteur où « de nombreuses sociétés proposent déjà des surpresseurs à pistons », explique Jérémy Viale, et où de nouveaux concepts émergent, à base de liquides ioniques, de membranes gonflables ou de procédés électrochimiques.
Reste alors à empêcher la petite molécule, excitée par la pression, de s’échapper. « Le stockage est un défi contre la physique », n’hésite pas à affirmer Jérémy Viale, en pointant la « suprématie des composites » dans le domaine. Ces matériaux hybrides n'ont besoin que d'une enveloppe de 9 kilos pour stocker un kilo d’hydrogène à 700 bars contre… près de 200 kilos pour l’acier, chiffre l’expert. Faut-il encore trouver la bonne formule. Les réservoirs existants, qui prennent la forme de longs cylindres noirs et brillants, sont composés d’une sous-couche de polyéthylène sur laquelle sont enroulées des fibres de carbone imprégnées d’une résine thermodurcissable, poisseuse et difficile à manipuler avant chauffage. Une source de problèmes d’adhésion entre les couches, ajoute Jérémy Viale. L'expert confie que le Cetim met au point un réservoir fait d’un ruban composite thermoplastique (réutilisable à l’envi, à la différence des thermodurcissables) enroulé et fondu par laser directement sur le polyéthylène afin d’obtenir une meilleure qualité et de garantir l’adhérence entre les couches de liner et de composites.
Coup de froid sur le transport maritime
Pensée pour la mobilité automobile, cette solution ne pourra pas servir à l’échelle des très grands réservoirs des navires maritimes ou du stockage terrestre, pour lesquels des contraintes physiques imposent souvent de liquéfier l'hydrogène pour le stocker dans de grands réservoirs, pointe Nicolas Bulot, de France Hydrogène. Plus rétif à la liquéfaction que le gaz naturel, régulièrement transporté en mer sous forme liquide (GNL) à -162°C, le dihydrogène change d'état à -253°C, soit « 20°C au-dessus du zéro absolu », rappelle l’ingénieur.
Une cible difficile à atteindre, d’autant que la molécule dégage de la chaleur lorsqu’elle se liquéfie. De quoi refroidir les ardeurs des armateurs, surtout que l’hydrogène liquide nécessite une isolation à double paroi, contient plus de deux fois moins d’énergie par litre que le GNL, et s’évapore davantage, au point de perdre en intérêt dès quelques semaines en mer, liste Jérémy Viale. Conséquence, pour Man Energy Solutions : l’hydrogène sera au cœur de la décarbonation du transport maritime… mais sous forme transformée, au sein de carburants de synthèse comme l’ammoniac, le méthanol ou le e-methane.
De quoi enterrer le (gros) moteur à hydrogène ? Pas sûr, note l'ingénieur, en rappelant qu'au-delà des potentielles centrales électriques à hydrogène, les grands moteurs à gaz prisés par le secteur maritime sont « nés de la demande des méthaniers, qui souhaitaient utiliser l’évaporation naturelle du méthane contenu dans leurs cuves ». Le premier tanker d’hydrogène, le Suiso Frontiers de Kawasaki Heavy Industries, est arrivé au Japon en février dernier. Mais la question de savoir si ce mode de transport de l'énergie parviendra à triompher malgré les difficultés mécaniques posées par l’hydrogène reste ouverte, rappelait un récent rapport de l'agence d'analyse Bloomberg NEF. Pas de quoi inquiéter les experts du Cetim, qui font valoir que quels que soient les secteurs dans lesquels l’hydrogène s’imposera in fine, les expérimentations à venir continueront de faire progresser la recherche et trouveront des débouchés au sein du large spectre d’applications futures de la petite molécule.
