CHAUFFAGE
Install Magazine 970 – mai 2020

L’énergie du futur

L’hydrogène comme combustible pour les chaudières

L’hydrogène en tant que vecteur d’énergie propre peut signifier une révolution dans le secteur du chauffage. Les premières expériences sont en cours, et ebm-papst travaille sur des systèmes gaz-air adaptés à ce combustible climatiquement neutre.

A une époque où le charbon était encore le combustible numéro un et où la question des énergies renouvelables ne se posait pas, Jules Verne avait déjà une vision prophétique dans son roman ‘L’île mystérieuse’ en 1874 : « L’eau est le charbon de l’avenir. » Il y explique que l’énergie de demain est l’eau, décomposée par l’électricité, et que les éléments constitutifs de l’eau, l’hydrogène et l’oxygène, fourniront une source de chaleur inépuisable. Près de 150 ans après que l’écrivain français ait rédigé ces lignes, sa vision n’est pas encore une réalité. Mais suite aux défis du changement climatique et la recherche de nouvelles sources d’énergie, l’eau en tant que vecteur d’énergie suscite un intérêt croissant, tant auprès du politique, que des sciences et l’industrie. L’avantage est évident : la combustion ne génère aucune émission de CO₂, nocive mais uniquement de l’eau.

Inconvénient: l’hydrogène sur terre est presque exclusivement disponible sous forme liée. Pour en produire, il faut énormément d’énergie. Comme Jules Verne le soulignait, on peut produire de l’hydrogène par électrolyse. Lors de ce processus, l’eau, via l’électricité, est décomposée de ses éléments constitutifs : l’hydrogène et l’oxygène. Ce combustible n’est climatiquement neutre que si l’électricité est produite à partir de sources renouvelables. Les énergies renouvelables jouent donc un rôle essentiel. A mesure que la capacité en énergies renouvelables augmente, il devient crucial de stocker pendant de longues périodes le surplus qui ne peut pas être injecté directement. Le vent et le soleil ne se pilotent pas selon les besoins énergétiques. Dans les installations Power to Gas, on peut utiliser l’énergie verte pour produire notamment de l’hydrogène. Comme le résidentiel a une part importante dans les émissions totales de CO₂, l’utilisation d’hydrogène dans le chauffage peut fournir une contribution essentielle dans la lutte contre le changement climatique. La production est encore relativement chère, mais l’industrie du chauffage est dans les starting-blocks.

L’émergence de l’hydrogène

En Allemagne, il est déjà possible d’enrichir le gaz naturel de quatre à dix pourcent d’hydrogène. Pourrait-on passer totalement à l’hydrogène ? Plusieurs projets d’études sont en cours. Le gouvernement britannique a lancé le projet Hy4Heat qui étudie les obstacles techniques et logistiques à prendre en compte pour augmenter progressivement la part d’hydrogène. En Grande-Bretagne, 80% des familles se chauffent au gaz, une part considérable à l’échelle internationale. L’effet positif de la transition sera donc significatif. Leeds, troisième ville du pays, prévoit à moyen terme de convertir une partie du réseau gazier au 100% hydrogène. C’est la direction que l’on prend aussi sur le continent, et plus particulièrement les Pays-Bas. Une raison supplémentaire est que les champs gaziers néerlandais seront bientôt épuisés. A Rozenburg près de Rotterdam, des essais sur le terrain ont lieu avec une teneur en hydrogène de 100%. L’Allemagne est un précurseur dans le domaine des installations Power to Gas. Dans des configurations expérimentales, on étudie comment produire le plus d’hydrogène possible en consommant peu d’énergie. Il y a aussi des études pour transformer le réseau gazier en un réseau d’hydrogène. Bref, le marché bat son plein.

Les défis des constructeurs

Plusieurs fabricants sont en train de convertir leurs chaudières à condensation pour ce combustible propre. L’objectif est de réaliser cela avec le moins d’adaptations techniques possible. La bonne nouvelle est que le principe de fonctionnement fondamental peut être conservé. Suite aux propriétés de l’hydrogène, il faut tenir compte des aspects suivants : l’étanchéité, la compatibilité des matériaux et surtout le comportement à la combustion.

En ce qui concerne l’étanchéité, l’hydrogène est le plus léger des éléments chimiques et il a la plus faible densité. Il démontre une perméabilité supérieure au gaz naturel et passera donc plus facilement à travers les élastomères et les matières plastiques. Suite à une viscosité dynamique légèrement inférieure, l’hydrogène est plus sensible aux fuites que le gaz naturel. L’étanchéité des composants dans la chaudière à condensation doit donc être adaptée et contrôlée avec des méthodes d’essai spécifiques. De plus, il faut vérifier s’il y a des problèmes de compatibilité avec les matériaux.

Le comportement à la combustion nécessite une attention particulière. La vitesse de la flamme est par exemple huit fois supérieure à celle du méthane. Les fabricants ne peuvent donc pas travailler avec les brûleurs actuels, la perte de pression augmente et les ventilateurs doivent être optimisés. Il faut veiller à ce que l’allumage ne se produise pas trop tard. L’hydrogène est en effet hautement réactif et s’enflamme plus facilement que le méthane. La commande du brûleur doit donc fonctionner avec des temps d’allumage plus courts. Un autre problème est que le contrôle de l’allumage et la surveillance de la flamme ne peuvent pas avoir lieu avec des méthodes classiques de détection de flamme par ionisation. Les fabricants de chaudières doivent donc tester de nouveaux capteurs et thermo-éléments.

Autre point crucial: bien que l’hydrogène ait un pouvoir calorifique plus bas que le gaz naturel, l’indice de Wobbe est à peu près le même, et c’est un paramètre important pour le passage d’un combustible à l’autre. Pour réaliser un mélange optimal dans le venturi, il faut régler le mélange gaz-air. La combinaison du ventilateur à gaz, du venturi et de la vanne de gaz est très importante.

NRV 118 prêt pour H₂

Le ventilateur NRV 118 d’ebm-papst peut être appliqué au gaz ayant une teneur en hydrogène jusqu’à 10% sans adaptation. Les ingénieurs du site d’ebm-papst à Landshut ont vérifié dans diverses études le bon fonctionnement de la combinaison de système NRV 118 et de l’hydrogène. Résultat : après quelques ajustements, le système est adapté pour le 100% hydrogène. Les modifications concernent principalement l’amélioration de l’étanchéité de la vanne de gaz et du ventilateur. Les ingénieurs ont aussi vérifié si les matières plastiques et les métaux utilisés sont compatibles au 100% hydrogène.

Autre avantage: grâce au système de pré-mélange, le NRV 118 est bien adapté à une utilisation avec de l’hydrogène. Le ventilateur premix compense l’indice Wobbe plus bas et le pouvoir calorifique de l’hydrogène. Les conduites de commande compliquées sont donc superflues. De plus, la plage de modulation est particulièrement élevée parce que la vanne de gaz se pilote précisément par dépression. En conclusion, les fabricants peuvent compter sur le NRV 118 Hydrogen pour le 100% hydrogène. Il faudra patienter un certain temps avant que ce combustible vert ne puisse être utilisé pour le chauffage. Si les développements dans le domaine des sciences, de la politique et de l’industrie se poursuivent, la vision de Jules Verne deviendra une réalité dans un avenir pas trop lointain.

À propos d’ebm-papst

Le groupe ebm-papst est une entreprise familiale dont le siège est établi à Mulfingen, Baden-Württemberg, et un leader mondial dans le domaine de la fabrication de moteurs et de ventilateurs. Depuis sa fondation en 1963, cette entreprise technologique n’a cessé d’être un chef de file sur le marché mondial. Avec plus de 20.000 produits, elle propose des solutions adaptées, éco-énergétiques et intelligentes pour pratiquement toutes les applications en technologie de l’air et de l’entraînement.

Au cours de l’exercice 2018/19, ebm-papst a réalisé un chiffre d’affaires de 2,18 milliards d’euros avec plus de 15.000 collaborateurs dans 28 sites de production (notamment l’Allemagne, la Chine et les Etats-Unis) et 48 organisations commerciales dans le monde. Les ventilateurs et les moteurs de l’entreprise sont utilisés dans pratiquement toutes les branches comme l’ HVAC, le refroidissement, l’électroménager, le chauffage, l’automobile et les entraînements.

Principaux points pour les fabricants de chaudières lors du passage à l’hydrogène

1. La vitesse de la flamme est huit fois supérieure par rapport au méthane. Il faut adapter les ventilateurs à la perte de pression plus importante du brûleur.

2. Du fait de la viscosité dynamique légèrement inférieure, il faut surveiller l’étanchéité.

3. L’hydrogène pénètre facilement d’autres substances. Il faut donc utiliser des élastomères appropriés.

4. La surveillance de la flamme par ionisation est impossible avec de l’hydrogène pur. Les fabricants doivent prévoir d’autres capteurs ou thermo-éléments.

5. La puissance et les temps d’allumage doivent être les plus bas possibles dans le cas de l’hydrogène pur.

6. Le pouvoir calorifique de l’hydrogène est inférieur à celui du méthane. Un mélange gaz-air parfait est d’autant plus important.

Par: Jürgen Schwalme, ebm-papst

Rob Peeters, ebm-papst Benelux

Photos: ebm-papst