La technologie Raman garantit une utilisation sûre de l’hydrogène dans les centrales électriques au gaz
La transition énergétique a fait de l’hydrogène un terme à la mode dans le domaine des centrales électriques au gaz naturel. Lorsque l’hydrogène est brûlé avec le gaz, il réduit les émissions de CO2 de la centrale. Endress+Hauser a mis au point un système avancé qui contrôle et valide en ligne automatiquement et précisément le mélange. Les premières expériences menées aux États-Unis montrent que ce système offre, à l’industrie, des opportunités majeures dans le cadre de sa transformation rapide vers une plus grande durabilité.
Christine Böhringer, pour Endress+Hauser
Article adapté par Cédric Lardière
La transition énergétique pose des défis majeurs aux exploitants de centrales électriques au gaz. Bien qu’on leur demande d’assurer un approvisionnement flexible et fiable en électricité et en chaleur lorsque les sources d’énergie renouvelables telles que le vent ou le soleil ne sont pas disponibles en quantités suffisantes, la combustion d’un combustible fossile comme le gaz naturel libère du dioxyde de carbone (CO2) nocif, mettant ainsi en péril les objectifs mondiaux en matière de climat. C’est pourquoi l’un des principaux mots d’ordre actuels est : prêts pour le H2.
Endress+Hauser associe des technologies d’analyse et de mesure pour développer un système qui contrôle automatiquement et valide en ligne le mélange gaz naturel-hydrogène dans une centrale électrique.
« Les opérateurs veulent rendre leurs usines prêtes pour l’hydrogène en mélangeant des quantités croissantes d’hydrogène au gaz naturel, afin de réduire la teneur globale en carbone du combustible », explique Cory Marcon, Industry Marketing Manager – Hydrogen, Power & Energy chez Endress+Hauser USA. À un moment donné, l’industrie s’attend à ce que l’hydrogène soit en mesure de remplacer complètement le gaz naturel. S’il est alors produit par électrolyse avec l’aide de sources d’énergie renouvelables, les centrales électriques seront neutres en carbone.
La centrale électrique à cycle combiné gaz-vapeur, exploitée par Long Ridge Energy à Hannibal, dans l’Ohio (États-Unis), est l’un des pionniers de cette voie progressive vers la décarbonation. Cette centrale de 485 MW située sur la rivière Ohio, dans le bassin des Appalaches, est entrée en service en octobre 2021, devenant ainsi l’une des premières au monde à être conçue spécifiquement pour utiliser une combinaison d’hydrogène pur et de gaz naturel pour alimenter la turbine. Pour ce faire, elle a toutefois besoin d’un bon système de contrôle des procédés.
Plusieurs technologies réunies
« L’hydrogène est très réactif et présente des propriétés de combustion complètement différentes de celles du gaz naturel. L’instabilité de la combustion et l’accumulation excessive d’oxyde d’azote font partie des défis à relever. L’hydrogène a également un faible pouvoir calorifique volumétrique en raison de sa faible densité. C’est pourquoi le mélange doit être contrôlé avec précision afin de garantir un fonctionnement sûr et économique de l’installation », explique Cory Marcon. Il s’agit avant tout d’éviter de dépasser la quantité maximale de mélange possible dans chaque situation.
Pour sa centrale électrique à cycle combiné gaz-vapeur à Hannibal, l’exploitant Long Ridge Energy utilise un système d’injection d’hydrogène dont le mélange a été validé par Endress+Hauser.
Dans cette optique, Long Ridge Energy a recherché un système d’injection d’hydrogène précis avec validation des mélanges, utilisant une technologie de mesure avancée et adaptée à la mise à l’échelle de l’usine. L’entreprise a fait confiance au Suisse Endress+Hauser. La solution impliquait l’utilisation simultanée de plusieurs technologies. Un débitmètre à effet Coriolis Promass Q a été installé au point d’injection de l’hydrogène. Il fournit des mesures très précises du débit massique, de la densité et du débit volumétrique, même dans des conditions de process fluctuantes, garantissant ainsi une injection uniforme de l’hydrogène.
Un débitmètre à effet Coriolis Proline Promass F a, quant à lui, été installé en amont pour surveiller le débit de gaz dans la conduite principale. Un analyseur Raman Rxn5, certifié pour les zones explosives, a été utilisé pour déterminer en ligne la composition du mélange gazeux et le contenu énergétique correspondant. Cela permet de valider le mélange de carburants quasiment en temps réel et d’éviter une réaction excessive de l’hydrogène, qui pourrait endommager le système de combustion. « La spectroscopie Raman est l’une des clés de la sécurité future des systèmes d’alimentation des turbines à gaz », souligne Cory Marcon.
Bénéficier de la vitesse de la technologie Raman
Cette technologie d’analyse optique avancée utilise un faisceau laser pour générer une lumière dans le domaine visible ou proche infrarouge (NIR) afin d’exciter les molécules de l’échantillon. Le transfert d’énergie entraîne un déplacement d’une petite partie de la lumière laser (déplacement Raman). La lumière diffusée qui en résulte change de couleur en fonction du type de gaz. Les analyseurs Raman mesurent ces couleurs diffusées pour déterminer les composants du gaz et l’intensité de chaque couleur afin d’évaluer la concentration des composants.
Au point d’injection de l’hydrogène, le débitmètre à effet Coriolis Promass Q d’Endress+Hauser mesure le débit massique, la densité et le débit volumique.
La méthode Raman est donc idéale pour analyser les carburants de turbines à gaz, qui changent rapidement et qui sont mélangés. Cette technologie, autrefois réservée aux laboratoires, est désormais disponible sous la forme d’une solution complète en ligne robuste et éprouvée. L’analyseur est connecté directement au flux de gaz avec quatre sondes au maximum via des fibres optiques. À Long Ridge Energy, l’analyseur Rxn5 a été associé à une sonde Raman Rxn-30. Il ne faut que 15 s pour effectuer une mesure précise dans la conduite de gaz principale.
Les instruments conventionnels de chromatographie en phase gazeuse sont beaucoup plus lents à traiter les signaux et ont besoin de plusieurs minutes pour effectuer une analyse. « La mesure de la composition quasiment en temps réel permet également de calculer le point de rosée des hydrocarbures. Cette valeur est cruciale pour éviter la condensation, qui peut entraîner la cokéfaction du brûleur. En outre, avec un mélange d’hydrogène, la probabilité d’un retour de flamme est plus élevée si les conditions de combustion ne sont pas adaptées aux propriétés du carburant mélangé », explique Cory Marcon.
Long Ridge Energy a réussi à mélanger plusieurs fois le gaz naturel avec 5 % d’hydrogène au maximum, fourni par une entreprise chimique voisine. Le système d’injection mis au point permet également d’augmenter encore la proportion d’hydrogène. La capacité de la ligne d’injection peut être facilement augmentée avec le débitmètre à effet Coriolis Promass X pour des débits plus important avec des modifications mineures sur la tuyauterie.
Un skid combinant débitmétrie et spectroscopie
L’analyseur Raman Rxn5 peut en outre être adapté à des exigences spécifiques en matière de carburant et traiter une large gamme de mélanges de carburants sans avoir à modifier les composants du système. « Cette flexibilité technologique profitera considérablement aux efforts d’expansion futurs de l’entreprise lorsque l’usine passera des mélanges de démonstration actuels à des taux de production de 20 % voire plus », affirme Cory Marcon.
La spectroscopie Raman d’Endress+Hauser est utilisée pour analyser les carburants de turbines à gaz, qui changent rapidement et qui sont mélangés.
Endress+Hauser a intégré ce retour d’expérience de Long Ridge Energy dans le développement d’un skid qui combine les mesures de débit basées sur la technologie à effet Coriolis et la spectroscopie Raman pour créer une solution complète pour la mesure du mélange d’hydrogène dans les carburants et les pipelines. Le skid facilite l’automatisation complète du process d’injection et la surveillance de la composition du mélange de carburants après l’injection, même sur de longues distances.
« L’expérience avec Long Ridge Energy a démontré que les changements les plus importants requis pour l’utilisation de mélanges d’hydrogène doivent être effectués en dehors de la turbine elle-même, résume Cory Marcon. C’est encourageant, car cela signifie que de nombreuses autres turbines à gaz peuvent fonctionner avec des mélanges d’hydrogène en effectuant seulement des modifications mineures et un réaménagement. Cela permettra aux centrales électriques de contribuer à la décarbonation de l’industrie dans le monde entier. »
