Stations de ravitaillement en hydrogène et rôle de la technologie de compression des gaz

Si la mobilité hydrogène doit jouer un rôle majeur dans la transition énergétique mondiale et contribuer à la lutte contre le changement climatique, l'infrastructure de ravitaillement sera essentielle à son adoption. De nombreux observateurs estiment que la politique gouvernementale internationale en matière d'hydrogène a atteint un point de basculement et que les investissements publics/privés nécessaires au déploiement d'un réseau de stations de ravitaillement en hydrogène, au niveau requis pour une économie de l'hydrogène viable, commencent à se matérialiser.

Pour réaliser une telle économie, la technologie de compression du gaz devra continuer à répondre et à s'adapter à l'évolution des demandes du marché. En termes simples, la compression des gaz (boosting) est au cœur des possibilités de ravitaillement en hydrogène.

Technologie de compression du gaz

La compression de gaz existe depuis longtemps et est utilisée dans une série d'applications où le transfert de gaz à haute pression est nécessaire. Les opérateurs de différents secteurs utilisent diverses technologies de compression en fonction du type de gaz à comprimer, de l'augmentation de pression et du débit à atteindre. La compression de l'hydrogène n'est donc pas une nouveauté, mais son utilisation dans une gamme aussi large d'applications de ravitaillement l'est, ce qui met en lumière le rôle important que joue la compression du gaz en tant qu'élément essentiel d'une station de ravitaillement en hydrogène.

Les stations de ravitaillement en hydrogène - une vue d'ensemble

Au niveau mondial, il y avait 553 stations de ravitaillement en hydrogène en 2020. En Europe, c'est l'Allemagne qui en a le plus avec 100, tandis que le Royaume-Uni en a 11. Le Conseil de l'hydrogène prévoit qu'il y aura plus de 10 000 stations d'ici à 2030, ce qui, bien qu'il s'agisse d'un nombre relativement faible par rapport aux stations conventionnelles dans le monde, représente un investissement considérable dans l'infrastructure de ravitaillement en hydrogène.

Les stations de ravitaillement en hydrogène prélèvent généralement l'hydrogène d'une source, qu'il s'agisse d'un électrolyseur à basse pression (généralement autour de 30 bars), d'un pipeline à basse ou moyenne pression (généralement 50-80 bars) ou d'un système de distribution d'hydrogène comprimé à moyenne ou haute pression (généralement 200 bars à 500 bars). Dans tous les cas, l'hydrogène doit généralement être comprimé davantage pour atteindre la pression requise, prêt à être ravitaillé, et conservé dans des unités de stockage locales. Plus la pression d'alimentation est faible, plus la compression est nécessaire pour augmenter la pression jusqu'à la pression de ravitaillement requise.

À l'heure actuelle, et dans un avenir prévisible, il existe deux pressions principales utilisées par les véhicules pour le stockage : 350 bars et 700 bars. Les applications de ravitaillement à 700 bars nécessitent une pression de distribution plus élevée, car ces véhicules ne disposent que d'un espace limité pour le stockage du carburant ; plus vous pouvez mettre de gaz dans le système de stockage embarqué du véhicule, plus l'autonomie du véhicule sera grande. Une pression de 350 bars est généralement utilisée pour les véhicules lourds et de 700 bars pour les véhicules plus légers, bien qu'au fil du temps, nous nous attendions à ce que les véhicules lourds passent dans la catégorie des 700 bars afin de leur donner une plus grande autonomie.

L'élément de compression de gaz d'une station de ravitaillement fait partie intégrante du système permettant d'atteindre les pressions de ravitaillement à ces niveaux plus élevés. Le moyen le plus efficace de distribuer de l'hydrogène dans un véhicule est une méthode appelée "cascade", qui permet au gaz de passer d'une pression plus élevée à une pression plus basse jusqu'à ce qu'il s'égalise. La meilleure façon d'y parvenir est de prendre la pression du gaz d'entrée et de la comprimer à une pression élevée pour la maintenir dans le système de stockage, qui alimente finalement le distributeur dans le véhicule. Les stations de ravitaillement peuvent stocker le gaz à différentes pressions afin de permettre l'utilisation la plus efficace possible de ce gaz.

Les trois éléments clés

Une station de ravitaillement en hydrogène standard comprend trois éléments clés : la compression, le stockage et enfin la distribution. La bonne combinaison de ces trois éléments est essentielle à l'efficacité de la station.

Les compresseurs de gaz aident la station de ravitaillement à respecter son profil de capacité opérationnelle en réapprovisionnant le système de stockage sur site en hydrogène à la bonne pression. L'interface entre les éléments de compression, de stockage et de distribution fait l'objet d'une réflexion et d'une conception approfondies afin de dimensionner correctement la station et d'installer la capacité de compression adéquate, en complément du stockage externe.

Pour dimensionner correctement le système, il est donc important que les opérateurs connaissent clairement le profil de ravitaillement prévu pour la station. Pour répondre à cette question, il est essentiel de comprendre les éléments suivants : la capacité prévue des véhicules de ravitaillement, la rapidité avec laquelle les véhicules doivent être ravitaillés, le nombre de véhicules à ravitailler dos à dos ou simultanément, et la fenêtre de ravitaillement prévue.

Dans le domaine de la conception et de l'aménagement des stations, les opérateurs doivent également tenir compte du nombre et du type de véhicules qu'ils rempliront, qu'il s'agisse de voitures, de camions, d'autobus ou d'autres véhicules commerciaux. Il existe de nombreuses façons de construire et de configurer une station, en fonction des besoins de l'opérateur et des caractéristiques de la flotte.

L'importance de la pression d'entrée

Les exploitants de stations de ravitaillement doivent également tenir compte de la pression d'entrée, qui est déterminée par la source d'hydrogène. La capacité de compression requise pour une pression d'entrée de 30 bars (pression d'alimentation moyenne de l'électrolyse sur site) est différente de celle de 200 bars (typiquement fournie par des cylindres). Dans une station à 700 bars, l'installation de stockage externe contient généralement du gaz à 1 000 bars, de sorte que si la source est à 30 bars, l'effort de compression nécessaire pour atteindre cette pression est beaucoup plus important. Les systèmes de compression peuvent être configurés en plusieurs étapes pour répondre à cette exigence, ce qui est une approche standard pour ce type de scénario.

En ce qui concerne la technologie de compression, certaines unités de compression traditionnelles peuvent être confrontées à la nature des stations de ravitaillement et à la variation des pressions d'entrée, alors que la compression à mouvement alternatif peut relever ce défi d'une manière plus polyvalente.

Le choix de la pression d'entrée et de la technologie de compression est donc un élément clé dans l'évaluation de l'investissement dans la station et de son coût d'exploitation. Avec le temps, nous nous attendons à ce que l'hydrogène vert soit transporté à haute pression à partir d'installations de production centralisées, ce qui signifie que davantage d'investissements dans la compression seront nécessaires de la part des producteurs de gaz plutôt que des utilisateurs finaux, mais pour l'instant, avec la production sur site figurant dans les projets, les développeurs doivent être attentifs aux investissements nécessaires dans la compression.

Les implications financières de la gestion de la compression

Une bonne compression est essentielle pour que les coûts d'exploitation de la station de ravitaillement ne soient pas inutilement élevés. Il faut trouver un juste équilibre entre la disponibilité de l'hydrogène à la bonne pression pour un ravitaillement rapide en cas de besoin et la nécessité de maintenir le coût total de possession à un niveau abordable.

À l'heure actuelle, la plupart des investissements dans les stations d'hydrogène dépendent d'une combinaison d'investissements publics et privés. Au fil du temps, les stations devront fonctionner sans financement et les investisseurs voudront avoir la certitude qu'ils obtiendront un certain retour sur investissement ; ils devront donc analyser et comprendre le modèle d'exploitation.

À ce moment-là, l'accent sera mis sur le rapport coût/rendement, au cœur duquel se trouvent les coûts d'investissement et d'exploitation de la compression et du stockage. Cela représente un défi intéressant pour le marché de la compression de l'hydrogène. À l'avenir, les stations seront de plus en plus grandes et devront distribuer plus de carburant plus rapidement.

Tendances actuelles des stations de ravitaillement en hydrogène

Actuellement, une station de ravitaillement en hydrogène moyenne est conçue pour distribuer environ 400 à 500 kg par jour. Avec l'arrivée des poids lourds à hydrogène, ce chiffre augmentera de manière significative. Une tendance se dessine pour les stations capables de distribuer 1 à 2 tonnes par jour. D'ici à 2030, de nombreuses stations situées sur les principaux axes de transport alimentant le secteur des poids lourds distribueront jusqu'à 6 tonnes par jour.

On s'attend à ce que l'hydrogène prenne une place plus importante dans les véhicules utilitaires moyens et lourds, en raison des limitations créées par l'espace occupé par les batteries et leur poids, associées à des temps de charge importants et à des limitations de l'autonomie. Cette tendance se reflète dans les types de demandes que nous avons reçues. Les stations de ravitaillement conçues pour les camions et les autobus suscitent davantage d'intérêt que celles destinées aux voitures et aux camionnettes.

Afin de faire accepter par tous que les véhicules à hydrogène sont équivalents aux véhicules à essence et diesel existants, les stations de ravitaillement doivent offrir une expérience très similaire en termes d'aspect et de fonctionnement. Pour y parvenir, il est essentiel de prévoir des durées et des portées de ravitaillement similaires, ainsi qu'une configuration correcte de la compression.

Avec l'augmentation du nombre de véhicules en circulation et l'agrandissement des stations de ravitaillement, le développement de produits sera nécessaire pour obtenir des profils de ravitaillement plus rapides et de plus grande capacité. Le défi pour l'industrie sera de développer une technologie de compression qui réponde aux exigences des grandes stations de ravitaillement de l'avenir.

Cet article a été rédigé en exclusivité pour H2 View.