Le défi
L’utilisation de l’hydrogène comme combustible réduit les émissions de CO₂ des processus de chauffage industriels. En tant que fabricant de brûleurs, nous développons donc une installation fonctionnelle, abordable et sûre. Pour le développement et les tests, nous collaborons avec le bureau d’études en énergie DNV à Groningue, qui dispose de vastes installations d’essai.
L’hydrogène se comporte différemment du gaz naturel. Le pouvoir calorifique, la densité, la vitesse de combustion, la température de flamme et le point de rosée des fumées diffèrent. Actuellement, la disponibilité de l’hydrogène est limitée et son coût est relativement élevé. À plus long terme, il pourra remplacer totalement le gaz naturel.
Fonctionnement sûr
L’hydrogène étant encore peu disponible et coûteux, nous avons commencé par des mélanges d’hydrogène et de gaz naturel. Nous avons progressivement augmenté la part d’hydrogène et réduit celle du gaz naturel. C’est ainsi qu’est né un système de brûleur fonctionnant avec n’importe quelle composition : 100 % de gaz naturel, 100 % d’hydrogène et tous les mélanges intermédiaires. Le brûleur s’adapte automatiquement et ne nécessite aucun réglage manuel.
Dans l’installation d’essai, nous avons utilisé un brûleur à air soufflé Zantingh sur une chaudière à chauffage central à 3 parcours de 475 kW. Le rapport combustible/air et la puissance sont régulés par un système de contrôle adaptatif au combustible, développé en interne et couplé à un système de gestion de brûleur Siemens.
Un système de régulation prédictive (feedforward) maintient constants le taux d’oxygène dans les fumées et l’apport thermique, quelle que soit la proportion d’hydrogène. Dans la conduite de combustible, un capteur de qualité de gaz mesure la composition. Ces données sont transmises à un automate (PLC) où s’exécute l’algorithme de combustion. Cet algorithme calcule en continu les débits de combustible et d’air nécessaires pour le rapport demandé et la puissance souhaitée.
Lors des tests, nous avons mesuré en continu le NO, le NO₂, le CO, les CxHy et l’oxygène. Même en cas de variations de la demande d’air et de l’indice de Wobbe, le système continue de fonctionner de manière stable. Le taux d’oxygène et l’apport thermique restent constants.
L’aspect de la flamme change visiblement. Le gaz naturel produit une flamme bleue, l’hydrogène une flamme plus orangée. Avec des mélanges de 0 à 100 % d’hydrogène, la flamme reste stable et la température de surface du brûleur n’augmente pas de manière notable.
En raison de la température élevée de la flamme, la combustion de l’hydrogène génère des NOx thermiques. Grâce à la recirculation des fumées, nous ramenons ces émissions en dessous de la norme légale.
Abordable
L’hydrogène ne rejette pas de CO₂ lors de sa combustion. Un avantage majeur est que les chaudières, fours et installations existants restent en grande partie utilisables. Vous n’avez pas besoin de reconcevoir entièrement votre processus. Cela permet de maintenir des investissements plus faibles que dans le cas d’une électrification totale.
Les solutions électriques peuvent réduire le CO₂, mais elles ne sont pas toujours réalisables sur le plan technique ou économique. Souvent, un raccordement au réseau de forte puissance est nécessaire, ce qui n’est pas possible en raison de la congestion du réseau. Dans certains processus, une interaction directe entre les fumées et le produit est indispensable. L’hydrogène offre alors une alternative viable.
Sur la base des tests, nous concluons que ce système de brûleur permet l’utilisation de l’hydrogène au sein du réseau de gaz existant, aussi bien pendant la phase de transition que dans une situation où le gaz naturel est totalement remplacé.
Contexte : l’hydrogène comme combustible
L’hydrogène est l’élément le plus léger et le plus abondant. Il est incolore, inodore et inflammable. Sa combustion ne produit que de la vapeur d’eau. C’est pourquoi il est considéré comme un vecteur énergétique pour la transition durable de l’industrie.
L’hydrogène n’existe pas à l’état libre dans la nature et doit être produit, par exemple par électrolyse de l’eau. Si de l’électricité renouvelable est utilisée à cette fin, on parle d’hydrogène vert.
L’hydrogène peut remplacer le gaz naturel dans les processus industriels. Son transport peut s’effectuer en grande partie via le réseau de gaz existant. Des travaux sont en cours sur les infrastructures de production, de transport, de stockage et d’importation. Le stockage peut se faire, entre autres, dans des cavités salines. Cela permet d’exploiter l’énergie excédentaire issue du soleil et du vent.
Une étude de Hydrogen Europe montre qu’une combinaison du réseau électrique et du réseau d’hydrogène au niveau européen est moins coûteuse que la seule extension du réseau électrique. Pour la période 2030–2050, cela pourrait représenter une économie de plusieurs centaines de milliards d’euros.
La Commission européenne prévoit que l’électricité couvrira environ 50 % de la demande énergétique en 2050. Pour rendre cela possible, le réseau électrique doit être considérablement étendu. Les investissements nécessaires sont nettement plus élevés que ceux consacrés à l’infrastructure de l’hydrogène.
Le futur réseau d’hydrogène devrait atteindre plus de 50 000 km d’ici 2040. Environ 60 % de ce réseau sera constitué de conduites de gaz réutilisées. Cela réduit les coûts et raccourcit les délais de mise en œuvre. L’Europe devra également importer de l’hydrogène. Certaines régions disposent de beaucoup d’énergie renouvelable et d’une faible demande. Le transport peut se faire par pipelines ou sous forme de vecteurs d’hydrogène tels que l’ammoniac ou le méthanol. Le choix dépend de la distance, de l’application et des coûts. Le stockage souterrain de l’hydrogène est nécessaire pour équilibrer l’offre et la demande. Cela soutient à la fois le système d’hydrogène et le réseau électrique. Les investissements sont encore à la traîne, notamment en raison de délais de mise en œuvre longs et d’une réglementation peu claire.
L’hydrogène permet de réduire les émissions de CO₂ sans remplacer totalement les processus industriels existants. Il s’agit donc d’une étape concrète vers un système énergétique à faible émission de carbone.
