L’industrie a des besoins importants en hydrogène. Or, les méthodes utilisées actuellement pour sa production génèrent du dioxyde de carbone, un gaz à effet de serre. Il est donc nécessaire de changer de méthode de production et ainsi pour cela a besoin de pompes adaptées à ce nouveau processus.Elle a donc besoin de pompes hautement spécialisées pour le produire de manière plus respectueuse du climat.

Une matière première essentielle à l’industrie

L’hydrogène est essentiel pour plusieurs secteurs clés de l’industrie. Par exemple, il est indispensable à la production d’ammoniac, une matière première pour les engrais. Ce gaz est également crucial pour la production de méthanol, qui sert de base à des substances chimiques telles que l’aldéhyde formique et l’acide acétique. Les raffineries pétrolières utilisent aussi l’hydrogène pour le raffinage de l’huile minérale et la production de carburants synthétiques.

La sidérurgie pourrait également bénéficier de l’hydrogène pour produire de la fonte brute sans émettre de dioxyde de carbone (CO₂). Ce secteur est l’un des plus grands émetteur de gaz à effet de serre dans l’industrie : en France, près de 22 % des émissions industrielles et environ 5 % des émissions globales sont attribuées à l’industrie de l’acier.

Cependant, la production d’hydrogène génère elle-même de grandes quantités de CO₂, qui s’échappent dans l’atmosphère et contribuent au réchauffement climatique. Pourquoi la production d’hydrogène émet-elle autant de CO₂ ?

Le gaz naturel : source principale de l’hydrogène

Environ 95%  de l’hydrogène utilisé actuellement dans l’industrie est de l’hydrogène dit « gris ». Il est fabriqué à partir de gaz naturel dont la dénomination chimique est le « méthane ». Il est produit suivant un procédé de vaporéformage (en anglais : Steam Methane Reforming, SMR) qui mélange de la vapeur d’eau chaude sous haute pression à du gaz naturel, puis l’envoie vers un catalyseur.  S’ensuit alors une chaîne de réactions qui permet d’obtenir de l’hydrogène et du dioxyde de carbone. 

Le reformage autothermique (en anglais : Autothermal Reforming, ATR) est une version améliorée du vaporéformage. Ce procédé utilise l’oxydation partielle pour générer directement la chaleur nécessaire dans la chambre de réaction, éliminant ainsi le besoin d’un brûleur à gaz naturel pour chauffer le méthane. Par conséquent, la méthode ATR est plus économe en énergie que le procédé classique de vaporéformage du méthane (SMR).

Malgré tout, ces deux méthodes génèrent de grandes quantités de dioxyde de carbone : près de dix tonnes pour chaque tonne d’hydrogène produite. Alors, comment produire de l’hydrogène de façon plus écologique ?

Eau et électricité, les ingrédients de l’hydrogène vert

L’électrolyse est le mode de production le plus durable de l’hydrogène. Dans ce procédé, un
électrolyseur utilise un courant électrique pour décomposer l’eau (H₂O) en ses composants de base : l’hydrogène (H₂) et l’oxygène (O₂). Si l’électricité est issue de sources renouvelables, l’hydrogène produit est climatiquement neutre. On parle alors « d’hydrogène vert ».

L’un des inconvénients de l’électrolyse de l’eau est sa forte consommation d’énergie. Alors que la production d’une tonne d’hydrogène par vaporéformage nécessite environ 15 mégawattheures d’énergie, il en faut 50 mégawattheures pour l’électrolyse. Pour que l’hydrogène soit vraiment neutre pour le climat, l’énergie doit être fournie sous forme d’électricité issue d’énergies renouvelables.

L’hydrogène vert : il faudra du temps

L’hydrogène vert est souvent présenté comme une solution idéale pour une énergie propre et durable. Or, il n’est pas encore disponible en quantité suffisante et ne le sera pas non plus dans un avenir proche. Prenons l’exemple de l’Allemagne : dans ce pays, le gouvernement fédéral prévoit d’installer des électrolyseurs d’une capacité totale de 10 gigawatts d’ici 2030, ce qui permettrait de produire environ 30 térawattheures (TWh) d’hydrogène, équivalant à la consommation annuelle d’électricité de 300 000 foyers allemands. Malgré ces ambitions, il est incertain si cet objectif sera atteint. Selon le projet Wasserstoff-Kompass, la demande en hydrogène pourrait atteindre entre 50 et 250 TWh d’ici 2030, soulignant l’urgence d’agir.

En France, le gouvernement s’est fixé l’objectif de devenir « le leader européen de l’hydrogène vert ». Cependant, le marché est actuellement au point mort et les projets peinent à avancer.

L’hydrogène bleu, une solution de transition réaliste

L’hydrogène « bleu » pourrait servir de solution intermédiaire jusqu’au plein développement du procédé d’électrolyse et à la mise en place de capacités suffisantes pour la production d’hydrogène vert. Ce dernier est produit, comme l’hydrogène gris classique, par vaporéformage du gaz naturel. La différence est qu’ici, le CO₂ émis est capturé et stocké grâce à la technologie CCS (Carbon Capture and Storage). Ce CO₂ est ensuite transporté vers des sites de stockage souterrains, comme les gisements de gaz et de pétrole épuisés de la mer du Nord.

Dans ces sites, le CO₂ peut être injecté sous pression dans des couches de grès poreux où il se minéralise lors de contact prolongé avec la roche. La roche de couverture, épaisse de plusieurs kilomètres, empêche le CO₂ de s’échapper. Le projet Sleipner, situé à 250 km des côtes norvégiennes, est un exemple de cette technologie en action.

Cette technologie pourrait nous servir de solution intermédiaire pour atteindre plus rapidement les objectifs climatiques pendant le développement parallèle de l’infrastructure nécessaire à l’hydrogène vert. 

L’hydrogène bleu est-il durable ?

L’hydrogène bleu est-il climatiquement neutre ? Des études montrent que sa durabilité est proche de celle de l’hydrogène vert si deux conditions sont remplies :

• Captage du CO₂ : premièrement, le reformage du gaz naturel doit être effectué au moyen d’une technologie qui permet de capter plus de 90 % du dioxyde de carbone. Il est plus facile d’atteindre des taux de captage aussi élevés avec le procédé ATR (Autothermal Reforming) qu’avec le SMR (Steam Methane Reforming), car aucun four supplémentaire n’est requis pour produire de la chaleur.
• Réduction des fuites de méthane : deuxièmement, il convient d’éviter les fuites de méthane lors du pompage et du transport du gaz naturel. Le méthane ayant un potentiel élevé d’effet de serre, ses émissions ne doivent pas dépasser plus d’1 % du débit.

D’après les données de l’Agence internationale de l’énergie, c’est déjà le cas dans des pays tels que la Norvège, la Grande-Bretagne ou les Pays-Bas. Si ces conditions sont respectées, la production d’hydrogène bleu génère 2 à 3,5 kg d’équivalent CO₂ par kilogramme d’hydrogène – soit des valeurs comparables à la production de l’hydrogène vert. 

KSB dispose de décennies d’expérience en matière de production d’hydrogène

La production d’hydrogène ainsi que le captage, le transport et le stockage du CO₂ exigent des pompes et des robinets de haute précision. Leur rôle consiste à transporter le dioxyde de carbone liquéfié sous pression, mais aussi les absorbants comme les solutions d’amines. Ces dernières assurent la liaison du gaz, comme pour l’eau minérale pétillante. Les installations CCS ont également besoin d’eau de processus et possèdent de nombreux circuits de refroidissement à eau. Elles doivent être protégées contre les fuites et résister à la corrosion, car le dioxyde de carbone dissous et les solutions d’amines peuvent être corrosifs. Il est également essentiel d’éviter la formation de zones de basse pression dans les systèmes où le dioxyde de carbone passe de l’état liquide à l’état gazeux. Cela exige une grande expérience pratique.

KSB a l’avantage d’avoir une excellente connaissance des process de l’industrie chimique. Nous disposons de décennies d’expérience en matière de production d’hydrogène gris. Cette expérience nous permet également d’avancer dans le domaine de la production d’hydrogène bleu. À Frankenthal, en Allemagne, nous avons étudié en détail les facteurs influençant l’état d’agrégation du dioxyde de carbone sur un banc d’essai temporaire. Cela nous a permis de déterminer la pompe la plus efficace et la plage de fonctionnement correcte pour les différentes tâches du processus CCS et de conseiller nos clients en conséquence.  Cette avance technologique a démontré son efficacité  : « Notre savoir-faire unique en matière de technologie de pompes et la collaboration internationale des agences commerciales locales ont valu à KSB une année 2023 exceptionnelle dans le domaine des projets de décarbonation “bleus” », explique Renato Schioser Fragnani, Market Development Manager pour le segment de marché Chimie et Pétrochimie chez KSB. « Nos clients ont reconnu la valeur de nos solutions techniques innovantes qui apportent des réponses tangibles et durables dans le cadre de l’engagement de l’industrie à atteindre l’objectif zéro émission nette. »

Des pompes polyvalentes pour des conditions extrêmes

Quelles sont les pompes utilisées généralement dans les installations CCS ? Dans les petits systèmes qui traitent entre 10 000 et 100 000 tonnes de CO₂ par an, les entreprises industrielles utilisent souvent la pompe à volute à étanchéité absolue Magnochem.

Son arbre rotatif ne traverse pas le corps et n’a donc pas besoin de joint susceptible de fuir. Un entraînement magnétique transmet le couple sans contact du moteur vers l’intérieur du corps de pompe. Cela assure l’étanchéité hermétique de la pompe chimie normalisée et la protège contre les fuites.

Conforme à la norme ISO 5199, la pompe répond au plus haut niveau de qualité. Elle est proposée dans de nombreuses variantes de matériaux, en version robuste jusqu’à 40 bar et en modèle conforme à la norme API 685. Son vaste choix de tailles d’hydraulique et d’entraînements magnétiques offre une adaptabilité maximale.

Fiable et facile à entretenir

Les grandes installations qui traitent environ un million de tonnes de CO₂ par an ont recours à des pompes conformes à la norme industrielle API 610/ISO 13709. Par exemple, les pompes multicellulaires à montage entre paliers telles que la CHTR (type BB5). 

Sur ce groupe motopompe, des paliers installés de chaque côté des roues assurent une répartition homogène de la charge à haute pression ou à des débits plus élevés. La pompe est conçue pour offrir une fiabilité maximale et une grande facilité d’entretien : son design optimisé compense les différences de pression, ce qui réduit la poussée axiale le long de l’arbre, l’un des principaux facteurs d’usure des paliers et des joints d’étanchéité.
De solides butées à segments ou roulements maintiennent les roues en position axiale et absorbent la poussée axiale restante. L’entretien des garnitures mécaniques et des paliers peut s’effectuer sans ouvrir la pompe.

Des robinets sûrs pour un contrôle optimal des flux

Pour la production d’hydrogène bleu, les robinets sont tout aussi importants que les pompes. Les entreprises utilisent souvent des robinets à papillon à double excentration avec siège plastomère comme le modèle DANAÏS 150. Par rapport aux matériaux de sièges classiques, les plastomères offrent une meilleure résistance aux produits chimiques, une meilleure étanchéité et une usure moindre.

Les exploitants d’installations CCS utilisent aussi souvent des vannes de régulation à simple siège avec guidage par cage. Il s’agit de vannes dotées d’un seul obturateur soutenu par une cage ou un cadre. Les entreprises industrielles ont volontiers recours à ce type de vanne lorsqu’elles veulent contrôler précisément le débit du fluide.
Pour liquéfier le dioxyde de carbone, elles utilisent des robinets à papillon à étanchéité métallique en acier inoxydable. Le contact métallique situé entre la surface de l’obturateur et la portée d’étanchéité assure une étanchéité efficace et réduit le risque de fuites.