0169-1ACh3. Dimensionnement d’un Turbocompresseur pour le stockage d’hydrogène

Note culturelle :

L’hydrogène fabriqué à partir du processus d’électrolyse de l’eau est dit vert si ce dernier est réalisé grâce à une électricité renouvelable : électricité produite par des installations solaires, éoliennes ou hydroélectriques. La figure ci-dessous présente un bel exemple d’installation de production d’hydrogène vert (qualifié aussi de « propre »).

NB : L’électrolyse est un processus chimique qui vise à décomposer l’eau (H2O) à l’aide d’un courant électrique, en dioxygène (O2) et dihydrogène (H2).

Fig.: Exemple d’une station de production couplée d’hydrogène vert et d’électricité

Bien qu’il existe à l’état naturel sur terre, l’hydrogène est aujourd’hui produit industriellement et en grande quantité : une moitié est utilisée pour le raffinage et la désulfuration du pétrole. L’autre moitié sert principalement à la synthèse d’ammoniaque, lequel est utilisé comme matière de base dans le secteur de la chimie, notamment pour la production d’engrais. Mais l’hydrogène est aussi employé dans l’industrie alimentaire, l’électronique, la métallurgie et l’industrie spatiale où il entre dans la composition du « carburant » des fusées. C’est en effet l’un des combustibles liquides les plus utilisés au décollage par les lanceurs Delta et Ariane.

Contrairement aux énergies fossiles (pétrole, gaz et charbon), l’hydrogène n’est pas une énergie primaire, mais un « vecteur énergétique » qui, comme l’électricité, est produit à partir d’une autre source d’énergie. Toutefois il a l’avantage de posséder des propriétés énergétiques remarquables ce qui explique son intérêt. C’est le vecteur énergétique qui dispose de la plus grande densité massique par kilogramme : il contient 2,2 fois plus d’énergie que le gaz naturel ; 2,75 fois plus que l’essence et 3 fois plus que le pétrole. Cependant, c’est le gaz le plus léger ce qui complique son stockage. Pour l’entreposer, le transporter et le distribuer, il faudrait augmenter sa densité, ce qui implique : soit de le liquéfier à une température extrêmement basse (-253°C), soit alors de le comprimer à très haute pression (700 bar), malheureusement ces opérations sont à l’heure actuelle encore très coûteuses et énergivores. Pour information, à très haute pression (700 bar), l’hydrogène possède une densité de 42 kg/m3, contre 0,09 kg/m3 à pression et température normales. Lorsqu’il est refroidi en dessous de son point de condensation (environ -253°C), à pression atmosphérique, sa densité est alors de 71 kg/m3.

Hydrogène : Code Couleur ?

-Si l’hydrogène est produit par une proportion importante d’électricité d’origine nucléaire, il se verra attribuer la couleur Jaune ou rose.

-Si l’hydrogène est produit à partir d’hydrocarbures : du gaz naturel par exemple suivant un procédé de vaporeformage, l’hydrogène sera dit Gris.

-Enfin, l’hydrogène fabriqué à partir d’énergies fossiles avec capture du CO2 est dit Bleu.  Tout comme l’hydrogène gris, celui-ci est fabriqué par vaporeformage, cependant les émissions de CO2 de sa production sont piégées.

On considère dans cet énoncé, l’hydrogène (gaz parfait diatomique, aux propriétés constantes), produit à 30 bar et 300 K, à partir de l’électrolyse de l’eau. Afin de stocker ce gaz, on souhaite augmenter sa pression à 200 bar. La compression se fait de manière isentropique, dans un Turbocompresseur avec un débit massique de 100 g/s.

1-) Rappeler la première loi de Joule pour un gaz parfait, ainsi que les relations de Mayer pour Cv et Cp.

2-) Exprimer le Premier Principe de la Thermodynamique sous forme spécifique (massique)

3-) En déduire la puissance de compression, pour un processus isentropique en fonction du débit massique, de la chaleur spécifique à volume constant, de la température d’entrée du gaz (T1) et du rapport de pression entrée (P1)/sortie (P2) du turbocompresseur. On prendra MH2 = 2 g/mol.

4-) Parmi les valeurs ci-dessous, quelle sera la puissance de compression du Turbocompresseur : 224 kW, 22 kW, 25 kW, 314 kW et 356 kW ?

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