CHAUFFAGE
Install Magazine 989 – mars 2023
Développements en matière de chaudières à hydrogène
Le système gaz-air d’ebm-papst
Grâce à une conception intelligente, ebm-papst a réussi un développer une chaudière à hydrogène autorisant l’utilisation d’un ventilateur classique.
Pour le secteur du chauffage, la concrétisation d’un futur neutre en carbone passera immanquablement par le recours à des gaz verts, avec l’hydrogène vert en tête. Les chaudières à hydrogène n’en sont pas à leur coup d’essai, et l’industrie s’attelle actuellement à développer des composants adaptés. Ebm-papst est l’un des acteurs majeurs dans ce domaine ; il développe non seulement des ventilateurs de brûleur, mais aussi des systèmes complets de mélange de gaz pour appareils de chauffage. Projeté vers l’avenir, le fabricant a donc proposé un système d’alimentation en gaz adapté à l’hydrogène qui peut être facilement intégré aux concepts de chaudières et de brûleurs existants.
La nécessité de composants adaptés
Les propriétés de combustion de l’hydrogène ne diffèrent pas tellement de celles du gaz naturel. La plupart des composants de la chaudière n’ont donc pas besoin de grandes adaptations. Jusqu’à un pourcentage de 20 à 30% de mélange, il n’existe même quasiment pas de différences entre du gaz naturel pur et un mélange gaz naturel – hydrogène en termes de comportement de combustion. Si la part de l’hydrogène n’est pas plus élevée, on pourra dès lors se contenter d’utiliser les appareils usuels actuels. En cas de concentrations plus élevées, par contre, on aura toutefois besoin d’un système de combustion spécifique. Cela n’a donc pas de sens de développer des composants pour un pourcentage d’hydrogène compris entre 30 et 100%; il est dans ce cas préférable de passer directement à une solution 100% hydrogène. Il n’y aura donc pas de transition progressive, avec une augmentation par étape de la proportion d’hydrogène. Une conduite transporte soit du gaz naturel, éventuellement avec un petit mélange d’hydrogène, soit uniquement de l’hydrogène.
Et si une partie du réseau de canalisations est convertie à 100% d’hydrogène, tous les appareils qui sont raccordés à celui-ci devront alors être adaptés à ce gaz. L’hydrogène étant principalement considéré comme une solution pour les bâtiments existants, ces dispositifs devront dans la mesure du possible être compatibles avec les bâtiments existants. Dans l’idéal, il ne s’agit pas de remplacer l’appareil entier, mais de prévoir un kit de conversion du gaz naturel à l’hydrogène. Il est donc nécessaire de disposer d’une chaudière à hydrogène efficace, dont les dimensions et la structure sont similaires à celles d’un chaudière à gaz naturel ordinaire. Grâce à sa longue expérience en matière de solutions pour appareils de chauffage, ebm-papst a donc développé un tel système.
Des pertes de charge élevées
Du point de vue de l’alimentation en gaz et en air, le plus grand défi est la vitesse de flamme beaucoup plus élevée de l’hydrogène par rapport au gaz naturel. Afin de garantir une stabilité de flamme sur toute la surface du brûleur, le mélange gaz-air doit donc être injecté avec une vitesse beaucoup plus élevée (jusqu’à dix fois plus élevée). Il est possible de réaliser cela et d’atteindre des vitesses de sortie plus élevées en réduisant la taille des perforations dans la surface du brûleur. Ces trous plus petits et ces vitesses plus élevées entraînent à leur tour une chute de pression beaucoup plus importante dans le brûleur. Cette chute de pression doit être compensée par le ventilateur.
En principe, cela ne pose pas de problème. Il suffit d’installer un ventilateur plus puissant afin de compenser les pertes de charge, et l’affaire est réglée. Une telle approche axée sur la seule puissance brute n’est toutefois pas la plus efficace. La consommation d’énergie va augmenter, et le ventilateur sera plus grand et plus cher. Bref, rien d’idéal en termes de durabilité. En tant que spécialiste des ventilateurs, ebm-papst a donc recherché des gains d’efficacité de manière à pouvoir utiliser un ventilateur classique.
Optimiser l’ensemble du système
La perte de charge à surmonter par un ventilateur de brûleur est principalement déterminée par trois éléments, explique Dr. Jens Hermann, Team Lead Process Development Gas Technologies. Il y a l’échangeur de chaleur, le brûleur même, et enfin le système de mélange gaz-air. En cas de conversion à l’hydrogène, il n’y a pas de changement dans la résistance de l’échangeur de chaleur. Celle-ci est déterminée par la conception du fabricant. La résistance du brûleur va inévitablement croître, dans la mesure où les orifices d’écoulement sont plus petits. La seule manière de compenser cela, de façon à pouvoir continuer à utiliser un format de ventilateur usuel, consiste à réduire les pertes dans le mélange gaz-air. C’est sur quoi ebm-papst s’est concentré.
Ebm-papst ne fournit d’ailleurs pas que le ventilateur de brûleur. La société a en effet développé un système complet d’alimentation en gaz, avec venturi, vannes gaz, régulation de brûleur et surveillance de la flamme. C’est en optimisant tous ces éléments qu’on a ainsi pu réduire les pertes de charges. Cela permet de concevoir un brûleur pour hydrogène sans devoir recourir à un ventilateur plus puissant.
Cela facilite la commercialisation de versions à hydrogène des chaudières et brûleurs existants.
Ebm-papst introduit ce système au salon ISH, et travaille actuellement avec des fabricants de chaudières et de brûleurs de renom à des applications concrètes.
Door Alex Baumans
Photos: ebm-papst
