Mesure de l'hydrogène et du gaz naturel enrichi en hydrogène à l'aide de débitmètres à ultrasons

Les énergies renouvelables, en particulier le vent, l'hydraulique ou le solaire, jouent un rôle de plus en plus important dans la décarbonation de l'approvisionnement énergétique. Même si le gaz naturel restera une source d'énergie importante pour maintenir un approvisionnement énergétique stable et abordable pendant de nombreuses années, la recherche de solutions de remplacement se concentre depuis longtemps sur l'hydrogène en tant que source d'énergie supplémentaire. Le stockage de l'énergie devient également de plus en plus important : non seulement pour se rapprocher de l'objectif d'un approvisionnement énergétique neutre en CO2, mais aussi en raison de la production d'énergie intermittente et, en particulier, dépendante des conditions météorologiques, d'une part, et de la consommation qui fluctue en fonction des saisons, d'autre part.

L'hydrogène dans le réseau gazier

La production d'hydrogène à partir d'énergies renouvelables et l'injection de l'hydrogène dans les réseaux de gaz existants jouent un rôle important sur la voie d'un approvisionnement énergétique neutre en CO2. L'hydrogène peut être produit dans des endroits où la disponibilité des énergies renouvelables est élevée. En outre, il peut être stocké et transporté jusqu'au consommateur en tant que vecteur énergétique supplémentaire via les réseaux de gaz existants. L'hydrogène peut être stocké et transporté à un taux de 30 % dans le réseau de distribution de gaz naturel existant.

Les réseaux pour l'hydrogène pur seront d'abord développés au niveau régional. Ils s'étendront ensuite progressivement pour former des réseaux plus vastes. Les estimations pour un réseau de transport d'hydrogène à l'échelle européenne prévoient que jusqu'à 40 000 km de réseau pourront être créés d'ici 2040.

Effets sur la mesure du débit de gaz

La capacité à mesurer de manière fiable et stable le débit de gaz naturel contenant de l'hydrogène est donc de plus en plus importante de nos jours. La modification de la composition du gaz pose de nouveaux défis de mesure pour les différentes technologies de comptage. En effet, l'hydrogène ajouté modifie les propriétés du gaz naturel : la densité, la viscosité, l'explosivité, le débit et la vitesse du son du gaz changent. Cela pose de tout nouveaux défis pour les pipelines, les compresseurs, les joints, les vannes, la technologie de mesure, etc., par exemple en ce qui concerne le risque de fuites et d'explosions ou la détermination de la valeur calorifique. Les opérateurs de réseaux gaziers et les fournisseurs de gaz s'interrogent donc sur l'impact de cette évolution sur les performances de leurs débitmètres de gaz.

La mesure de débit par ultrasons a établi une nouvelle norme en matière de fiabilité, de durabilité et de précision des mesures dans les industries du gaz naturel et du gaz de traitement au cours des deux dernières décennies.

L'ajout d'un faible pourcentage d'hydrogène au gaz naturel augmente déjà considérablement la vitesse du son (SOS) du mélange gazeux. À 100 % d'hydrogène en volume, elle est environ trois fois supérieure à celle du gaz naturel. Les diagrammes de la figure 1 montrent la vitesse du son dans le gaz naturel, dans un mélange d'hydrogène à 30 % et dans de l'hydrogène pur.

Figure 1: Speed of sound for a typical natural gas (methane content of 90 vol%) and hydrogen admixtures up to 100

Figure 1 : Vitesse du son pour un gaz naturel typique (teneur en méthane de 90 %) et des mélanges d'hydrogène jusqu'à 100%

Cela impose plusieurs exigences à la conception de l'USM. Il faut garantir à la fois la plage de mesure équivalente au gaz naturel et l'incertitude de mesure requise. Il s'agit notamment de réduire la dispersion des valeurs mesurées, de réduire les sensibilités croisées aux fluctuations de la pression, de la température et du milieu, et de réduire les effets mécaniques des fluides.

Pour le gaz naturel avec des mélanges d'hydrogène allant jusqu'à 30 %, il est encore possible de compenser cet effet.

Figure 2: Application example of the FLOWSIC device.

Mesure de débit par ultrasons : prêt pour les exigences futures

On peut s'attendre à ce que les spécifications et les exigences - en particulier en ce qui concerne la précision de la mesure - soient les mêmes pour la future mesure du transfert des mélanges d'hydrogène et de l'hydrogène pur que pour la mesure du gaz naturel. Les débitmètres de gaz à ultrasons (USM) doivent être adaptés de manière appropriée à ces nouvelles conditions.

Les canalisations dédiées au transport de l'hydrogène ne seront toutefois pas très différentes des canalisations de gaz naturel. Les exigences sont similaires à celles des compteurs de gaz naturel actuels. Pour une capacité de transport équivalente sur le plan énergétique, il faut soit des diamètres nominaux plus grands, soit des débits plus élevés dans les systèmes de transport. Les USM spécialement conçus pour l'hydrogène doivent donc permettre des vitesses maximales de gaz plus élevées.

Comme les USM peuvent très bien répondre à toutes les exigences, ils sont idéaux pour la mesure du débit dans les futurs réseaux de transport et de distribution, que ce soit pour les mélanges d'hydrogène ou l'hydrogène pur.

Les avantages de la mesure du débit à l'aide d'un USM sont les suivants :

Large gamme de diamètres nominaux (DN50 à DN1400)
Grande étendue de mesure d’un facteur ≥ 100
Pas de blocage, pas de perte de pression
Pas de pièces mécaniques mobiles, pas de pulsations
Débits plus élevés avec l'hydrogène
Transférabilité de l'étalonnage à d'autres supports

Outre la classification en fonction de la teneur en hydrogène, les USM peuvent également être différenciés en fonction de leur utilisation dans les applications de gaz industriels, dans les réseaux de transport et dans les réseaux de distribution :

A. Mesure des gaz de process

Les USM sont utilisés depuis de nombreuses années dans les usines de gaz industriels pour mesurer des gaz ayant des teneurs en hydrogène différentes. Ils diffèrent de l'équipement de mesure standard conçu pour les mesures de débit en raison de leurs limites en ce qui concerne la mesure des gaz ayant une teneur en hydrogène plus élevée. Cela affecte les conditions d'entrée, l'incertitude de mesure réalisable et les limites de la plage de débit et de pression. Avec le développement de nouveaux capteurs à ultrasons pour l'hydrogène pur, les limitations précédentes par rapport aux compteurs standard ne devraient plus désormais s'appliquer à ces applications.

B. Mesure des gaz contenant de l'hydrogène dans les réseaux de transport

Dans les réseaux de transport, de grandes quantités de gaz sont transportées dans des canalisations d'un diamètre nominal minimum de DN400 et à des pressions élevées. La dernière génération de débitmètres de gaz, par exemple le FLOWSIC600-XT, peut également mesurer des gaz ayant une teneur en hydrogène allant jusqu'à 30 % en volume et est homologuée pour la mesure de volume. La condition préalable est que la fiabilité et la qualité des résultats de mesure ne soient pas ou peu affectées par les variations de densité, de vitesse d'écoulement et de SOS.

C. Mesure des gaz contenant de l'hydrogène dans les réseaux de distribution

Dans les réseaux de distribution les compteurs diffèrent en ce qui concerne leur pression de conception (typiquement < 20 bars) et leur diamètre nominal (≤ DN150). Le FLOWSIC500 est spécialement conçu pour la distribution de gaz naturel. Il a été qualifié pour mesurer jusqu'à 30 % d'hydrogène en volume sur l'ensemble de la plage de spécification en modifiant l'évaluation du signal et en étendant la plage SOS mesurable.

Compteurs de débit

Mesure homologuée pour la distribution de gaz naturel

FLOWSIC500

The perfect match

FLOWSIC600-XT

Indicateur de qualité du gaz (GQI) : Détermination de la teneur en hydrogène

Outre les valeurs de mesure primaires et la haute précision requise, les débitmètres de gaz à ultrasons (USM) offrent d'autres avantages : grâce à l'intégration d'un "indicateur de qualité du gaz" (GQI) dans le compteur, cet appareil permet de détecter les changements dans la composition du gaz via la valeur de la vitesse du son (SOS). Même de petites variations de la teneur en hydrogène peuvent être détectées avec une grande précision en raison de la vitesse du son extrêmement élevée de l'hydrogène. Si la composition du gaz de référence ou sa vitesse du son (sans hydrogène) est connue, il est également possible de déterminer très précisément la teneur en hydrogène. L'appareil compare la valeur SOS mesurée à la valeur SOS de référence. En supposant que toute différence est uniquement imputable au mélange d'hydrogène, la teneur en hydrogène peut être déterminée directement. L'approximation se fait au moyen d'une formule empirique implémentée dans le micrologiciel de l'USM.

L'image ci-dessous montre un exemple de FLOWSIC500 USM dans la station de mélange du projet pilote "Hydrogène dans le réseau de gaz" dans la région de Fläming, Saxe-Anhalt, Allemagne. Ce projet communal permettra d'ajouter des mélanges d'hydrogène jusqu'à 20 % en volume au réseau de distribution de gaz naturel. Le compteur est utilisé pour mesurer le volume du mélange gaz naturel/hydrogène. En même temps, la teneur en hydrogène du gaz naturel est mesurée au moyen du GQI.

Figure 3: FLOWSIC500 in the mixing station of the avacon pilot project “Hydrogen in the gas network”

FLOWSIC500 dans la station de mélange du projet pilote "Hydrogène dans le réseau gazier".

Conclusion

Les débitmètres de gaz à ultrasons sont utilisés avec succès depuis plus de 20 ans pour mesurer la quantité de gaz dans un large éventail d'applications. Cela inclut les applications pour les gaz à différentes teneurs en hydrogène. Les appareils utilisés dans ces applications, ainsi que d'autres de la famille de produits SICK FLOWSIC, ont déjà été adaptés et approuvés pour le comptage fiscal des gaz naturels ayant une teneur en hydrogène allant jusqu'à 30 % en volume. Les opérateurs de réseaux de gaz peuvent suivre la tendance consistant à alimenter les réseaux de gaz existants avec de l'hydrogène produit par régénération, et à transporter et stocker l'hydrogène - sans investissement supplémentaire dans de nouveaux débitmètres de gaz.

Les options de diagnostic de l'USM permettent non seulement une mesure quantitative mais aussi une détermination qualitative du gaz. Le dispositif fournit donc une méthode d'analyse supplémentaire pour l'hydrogène. Dans certaines applications, il peut remplacer des techniques analytiques coûteuses pour la détermination de l'hydrogène, telles que la chromatographie en phase gazeuse extractive.

Pour les appareils déjà installés, il est recommandé d'inspecter l'état de l'appareil afin d'évaluer l'impact d'une alimentation en hydrogène jusqu'à 30 %. L'effet du vieillissement, des conditions d'installation ou du régulateur de pression doit également être vérifié. Le service après-vente de SICK peut vous aider dans cette évaluation.