L'adaptation de l'expertise existante en matière de carbone est essentielle pour relever les défis liés aux équipements fonctionnant à l'hydrogène
Le plus petit élément au monde recèle un immense potentiel et suscite de grands espoirs.
Cet élément, dont on peut facilement se passer, est considéré comme l'une des réponses à ce qui est sans doute la plus grande question de notre époque : comment décarboner sans déstabiliser ?
À mesure que le monde se développe et que cette croissance alimente une demande énergétique sans cesse croissante — la consommation augmentant chaque jour un peu plus partout dans le monde —, la perspective d’une stratégie de décarbonisation capable de répondre de manière adéquate au défi du changement climatique — sans plonger l’économie mondiale dans la tourmente, freiner le progrès des pays en développement, faire grimper l’inflation et, surtout, compromettre la sécurité énergétique à grande échelle — devient de plus en plus difficile à atteindre.
Il est donc peut-être logique que beaucoup se tournent vers l'hydrogène, cet élément insaisissable mais pourtant extrêmement abondant, pour y trouver la réponse.
L'élément le plus abondant de l'Univers est hautement inflammable et, lorsqu'il brûle, le seul sous-produit qu'il génère est de l'eau.
On dirait presque un rêve. Alors pourquoi ne roulons-nous pas tous dans des véhicules équipés de piles à combustible à hydrogène ?
Deux raisons.
Coût et danger.
Les catalyseurs actuellement utilisés pour les piles à combustible à hydrogène, notamment le platine, sont trop coûteux pour être viables sur le plan commercial.
Et comme la plupart d'entre nous le savent depuis la catastrophe du Hindenburg, l'hydrogène non confiné peut avoir des conséquences catastrophiques.
Des progrès sont réalisés pour réduire la quantité de platine, un métal coûteux, nécessaire à la fabrication des piles à combustible à hydrogène. Honda et General Motors affirment avoir réduit d'un tiers les coûts de production d'un modèle CR-V fonctionnant à l'hydrogène en diminuant la quantité de ce métal rare utilisée. (Shutterstock)
Le secteur naissant de l'hydrogène comme source d'énergie progresse toutefois, notamment en matière de production et de stockage, deux aspects qui contribueront grandement à réduire les coûts très élevés liés aux deux défis mentionnés précédemment.
Stream-Flo aide depuis longtemps à équiper ceux qui se lancent dans ces deux types d'activités.
Cette entreprise internationale spécialisée dans les systèmes de régulation de pression et les vannes, notamment les têtes de puits, les vannes à guillotine, les clapets anti-retour, les vannes à bille et les systèmes de sécurité en surface, a fourni des têtes de puits pour l'hydrogène et des équipements connexes destinés à un puits de production au Mali et à un puits de stockage en Alberta.
Forte de plus de 60 ans d’expérience dans l’accompagnement du secteur pétrolier et gazier pour contenir en toute sécurité la pression en surface et acheminer les hydrocarbures du puits vers les étapes suivantes de la chaîne de production, c’est son expertise dans les applications en conditions extrêmes qui lui a permis de s’imposer comme un leader sur le marché naissant de l’hydrogène, explique Keith Farquharson, conseiller principal chez Stream-Flo, qui occupait auparavant le poste de vice-président chargé de la technologie au sein de l’entreprise.
« Il n'y avait rien à inventer concernant le puits ; il nous a simplement suffi de réorganiser certains éléments de la conception de notre produit existant », a déclaré M. Farquharson à propos du cahier des charges du puits de stockage d'hydrogène en Alberta.
Une vanne à guillotine Stream-Flo Crown repose dans l'atelier après avoir été entièrement assemblée, testée et peinte. L'entreprise a mis au point une gamme de vannes adaptées à l'hydrogène, dont les diamètres vont de deux à neuf pouces. (Redd Francisco)
Compte tenu de la petite taille de l'hydrogène, le confinement a été le premier défi relevé par Farquharson et son équipe dans le cadre de ce projet.
« La redondance des joints d’étanchéité est une philosophie à laquelle nos clients ont recours pour réduire les risques, et c’est une pratique que nous appliquons systématiquement dans les environnements critiques contenant du soufre », a déclaré M. Farquharson à propos de leur expérience dans les environnements contenant du sulfure d’hydrogène (H₂S). « Ensuite, en ce qui concerne la taille des molécules, les essais que nous avons menés sur les émissions fugitives et les réglementations relatives au méthane qui s’y rapportent ont nécessité des tests avec de l’hélium. Il a donc fallu apprendre à faire fonctionner un joint avec de l’hélium, dont la taille moléculaire est similaire à celle de l’hydrogène — et la même approche fonctionne. À présent, ce n’est plus qu’une question de matériau. »
Keith Farquharson, conseiller principal chez Stream-Flo, dans son bureau à Edmonton, en Alberta. Depuis plus de 35 ans, M. Farquharson contribue à l'élaboration et à la mise en œuvre des stratégies techniques et de développement de produits chez Stream-Flo ; il figure comme inventeur sur plus de 10 brevets détenus par l'entreprise. (Redd Francisco)
Une fois encore, l'expertise de Stream-Flo dans le domaine du gaz acide s'avérerait très utile, comme l'explique en détail Rick Miko, responsable de l'ingénierie de projet chez Stream-Flo, qui a dirigé tous les travaux de conception des puits de stockage pour l'entreprise.
« Nous avons constaté que les matériaux adaptés aux environnements contenant du H₂S fonctionnent très bien dans les environnements de stockage d’hydrogène », a déclaré Miko. « Les problèmes de conception liés à l’hydrogène pur sont les mêmes que ceux liés au H₂S, à savoir la fragilisation. L’hydrogène moléculaire (H₂) se dissocie en ions hydrogène (H⁺), qui se dissolvent ensuite dans l’alliage et se regroupent au niveau des défauts ou des joints de grains. Lorsque les ions H+ se recombinent pour former du H₂, ils occupent une surface bien plus grande que lorsqu’ils étaient des ions isolés ; la formation de la molécule d’H₂ exerce donc une contrainte sur le réseau cristallin du métal. Si la microstructure n’est pas suffisamment ductile pour absorber ces contraintes, le matériau deviendra fragile ou se fissurera. L’utilisation de matériaux conformes aux normes NACE, qui ont démontré une ductilité suffisante pour une utilisation en milieu H₂S, nous garantit que le matériau sera adapté à une utilisation en milieu H₂. »
Une tête de puits Stream-Flo près de la ville de Didsbury, en Alberta. (Patrick Kelly)
Une fois les travaux sur la tête de puits terminés, il était temps pour eux de se concentrer sur la conception des vannes à glissière pour l'hydrogène. Il s'agit des vannes qui partent de la tête de puits et qui fonctionnent en position entièrement ouverte ou entièrement fermée, soit pour permettre le passage total d'un liquide ou d'un gaz dans une canalisation, soit pour le bloquer complètement.
Miko explique que leur conception a nécessité une réflexion supplémentaire.
« La vanne présente un risque légèrement plus élevé que la tête de puits, car les vannes constituent le mécanisme d’arrêt et comportent des pièces mobiles », a expliqué Miko. « Les joints dynamiques sont plus complexes à mettre en œuvre que les joints statiques. Il est également plus facile d’intégrer et de vérifier des joints redondants au niveau de la tête de puits. »
C'est là qu'intervient Tom Gust, responsable technique des vannes à guillotine chez Stream-Flo.
« D’une certaine manière, nous nous sommes lancés dans une expérience », a déclaré Gust. « Il n’y a pas de consignes précises qui stipulent qu’il faut faire ceci, cela et encore cela ; on se retrouve donc à faire ce qu’on estime être le mieux. »
Parmi les éléments que Gust et son équipe ont jugé nécessaires pour optimiser une vanne conçue pour l'hydrogène figuraient un joint redondant au-dessus de la garniture de tige et un revêtement dur soudé sur le clapet et les sièges.
« On essaie de limiter la porosité », a déclaré Gust. « S’il y a de la porosité, on est alors obligé d’utiliser un produit d’étanchéité, et nous avons estimé que, dans le cas de l’hydrogène, ce n’était pas une bonne idée. »
Car, comme Miko l'a souligné tout à l'heure, cette porosité peut entraîner une fragilisation, et cette fragilisation peut entraîner une perte de confinement. Et une perte de confinement en présence d'hydrogène… eh bien, on pense tout de suite au Hindenburg.
Forte de son expérience et de son expertise dans les domaines de l'acide critique, de la haute pression et de l'ingénierie des matériaux, qui ont constitué la base de la phase de conception, l'équipe Stream-Flo Hydrogen était désormais prête à procéder à des essais sur prototype.
Les essais ont été réalisés dans l'usine de fabrication de Stream-Flo, située à Edmonton et d'une superficie de plus de 300 000 pieds carrés.
Au final, le passage de la tête de puits s'est déroulé sans le moindre problème.
« Nous avions mis en place plusieurs méthodes supplémentaires de détection des fuites, en plus de notre procédure standard », se souvient Miko. « Nous disposions d’un appareil appelé “détecteur d’hydrogène” qui mesurait en parties par million, et le critère d’acceptation était de zéro partie par million, ce que nous avons respecté. »
L'autre outil de détection des fuites était une caméra infrarouge.
« En général, quand le gaz se dilate, il se réchauffe », a expliqué Miko. « Donc, en cas de fuite, on détectera une hausse de température à l'endroit où se produit la fuite. »
Tout comme le détecteur, la caméra infrarouge n'a rien détecté non plus. Miko et toutes les personnes présentes ont donc voulu s'assurer que les appareils fonctionnaient bien.
« Ce que nous avons fait, c’est débrancher tous les équipements d’essai de pression, puis nous avons simplement purgé un peu d’hydrogène du réservoir de stockage », a expliqué Miko. « Puis, tout à coup, les moniteurs se sont mis à hurler et la caméra infrarouge a détecté quelque chose ; nous avons donc su que les instruments fonctionnaient. »
Et les équipements de tête de puits, comme prévu également.
Compte tenu du risque plus élevé lié à la vanne à guillotine, une série d'essais a été jugée nécessaire.
Une vanne à guillotine AV Stream-Flo Crown qui utilise un obturateur expansible et ventilé pour assurer une étanchéité mécanique parfaite.
« Nous sommes allés bien au-delà de ce que nous avions fait pour les têtes de puits avec nos vannes », a expliqué Miko. « Nous avons effectué des essais à l’hydrogène pur, puis un essai complet selon la norme API 6A, annexe F (PR2), et enfin un essai au feu. Nous avons procédé ainsi pour notre gamme de vannes destinées à l’hydrogène, dont les diamètres vont de deux pouces à neuf pouces. »
Une fois les tests terminés, il était temps d'envoyer les produits finis sur le chantier, où la réalité allait rendre son verdict.
Le puits de stockage d’hydrogène a nécessité le recours à l’extraction par dissolution pour créer la cavité saline destinée à son stockage. Il a fallu pas moins de 24 mois de pompage continu d’eau dans la formation saline pour produire de l’eau salée — puis réutiliser cette eau salée pour creuser la cavité —, ce qui a compliqué encore davantage la tâche de l’équipe chargée du projet d’hydrogène chez Stream-Flo.
« Imaginez l’eau de mer, la pression, le débit… et des débits très importants : c’est un environnement extrêmement érosif et corrosif », a déclaré Miko. « Nous avons dû utiliser des matériaux et des composants capables de résister à la fois à un environnement riche en hydrogène et à un environnement salin. »
Pour ce faire, il fallait suivre de près les différentes phases du projet d'extraction par dissolution et de puits de stockage, en fournissant des équipements compatibles pouvant être facilement remplacés en fonction de l'étape en cours.
La caverne étant désormais créée et deux séries d'essais de stockage ayant été menées à bien, Miko affirme que ses équipements dédiés à l'hydrogène ont fonctionné comme prévu.
« En fait, tout s’est vraiment, vraiment bien passé », a déclaré Miko. « Ce projet s’est déroulé sans accroc du début à la fin, et c’est l’un de ceux où les deux entreprises se sont le plus impliquées parmi tous ceux auxquels j’ai participé. »
Rick Miko, responsable de l'ingénierie de projet chez Stream-Flo, évoque le développement des produits à base d'hydrogène de l'entreprise à Edmonton, en Alberta. (Redd Francisco)
Ce qui a commencé, d’une certaine manière, comme une expérience, comme l’a dit Gust — même si celle-ci s’appuyait sur des décennies d’expérience passées à relever certains des défis les plus complexes du secteur pétrolier et gazier dans le domaine des têtes de puits et des vannes — a abouti à la mise au point de deux nouvelles spécifications de produits certifiés pour l’hydrogène pour Stream-Flo.
« Le secteur pétrolier et gazier sera bien armé pour relever ce défi ; je pense qu’en tant que secteur, nous sommes prêts à nous lancer dans des projets liés à l’hydrogène », a résumé M. Farquharson, qui étudie depuis de nombreuses années la question de l’hydrogène en tant que ressource, tout en pilotant le développement des produits de Stream-Flo dans ce domaine.
« Il n’y a pas d’offre importante d’hydrogène ; il y a certes de grands projets, beaucoup de rêves et d’aspirations, mais l’industrie de l’hydrogène reste modeste », a déclaré M. Farquharson. « Il existe actuellement six puits de stockage d’hydrogène. C’est tout. Aujourd’hui même, nous allons participer à la mise en service de plus de six puits de pétrole et de gaz. »
Cela signifie qu'il faut modérer ses attentes quant à la capacité de l'hydrogène à venir rapidement à la rescousse, explique M. Farquharson, même s'il ajoute que cet élément offrira sans aucun doute des perspectives d'avenir.
Et ce sont ceux qui sont à l'avant-garde, comme Stream-Flo, qui seront prêts à aider la société à saisir cette opportunité lorsqu'elle se présentera, en fournissant les moyens nécessaires aux producteurs d'énergie qui s'attaquent à tous les grands enjeux évoqués au début.
« Il y a un problème lié au carbone, et ce sont les experts du secteur pétrolier et gazier qui s’y connaissent le mieux en la matière », a déclaré Farquharson. « Ce sont eux qui vont résoudre ce problème. »
Têtes de puits Stream-Flo en attente d'installation dans le bassin du Permien.