Alors que le monde évolue vers des solutions énergétiques plus propres, l’hydrogène devient un puissant concurrent pour remplacer les combustibles fossiles dans nos maisons et nos villes. Il présente une combustion propre, ne produit que de l’eau et peut être produit à partir de sources renouvelables.
Mais il y a un hic.
L’hydrogène est, à bien des égards, un élément instable : plus léger, plus mobile et s’enflamme plus facilement que le gaz naturel et l’essence. Alors, comment pouvons-nous rendre ce combustible tout aussi sûr et fiable? Chez les Laboratoires Nucléaires Canadiens (LNC), la section sur la sécurité liée à l’hydrogène de la Direction générale des technologies de l’hydrogène s’attaque à cette question précise, soutenue par des équipes multidisciplinaires d’ingénieurs, de scientifiques et de technologues de laboratoire. Leur travail ne se concentre pas seulement sur l’utilisation de l’hydrogène; il vise à le comprendre, à prédire son comportement et à le contrôler bien avant qu’il ne devienne un danger.
L’hydrogène est peut-être l’élément le plus léger de l’univers, mais lorsqu’il fuit, son comportement n’est pas toujours aussi simple que nous le croyons.
À l’aide de simulations avancées de « jumeau numérique », soit des modèles très détaillés de dynamique numérique des fluides (DNF), ces équipes étudient ce qui se passe lorsque l’hydrogène ou le gaz naturel mélangé à l’hydrogène fuit des pipelines dans des environnements réels, notamment dans les villes.
Dans les espaces ouverts, l’hydrogène monte rapidement et se disperse. Toutefois, dans les environnements urbains, les bâtiments changent tout.
Le Dr Marco Zanoni, Ph. D., chercheur aux LNC, explique : « Ce qui nous surprend le plus, c’est que l’hydrogène ne monte pas toujours. S’il y a des structures qui l’emprisonnent, il peut rester en place, et c’est à ce moment-là qu’il peut devenir dangereux. »
Entre les structures, la configuration des vents peut créer ce que les chercheurs appellent des « canyons urbains », corridors étroits où l’air circule en boucle plutôt que de se déplacer librement. Dans ces espaces, l’hydrogène peut se retrouver piégé dans les zones de recirculation, en demeurant près du sol où les gens vivent, marchent et travaillent.
Ces observations apparemment mineures sont des découvertes importantes dans le cadre de la recherche. Ces constats permettent aux ingénieurs et aux planificateurs municipaux de prévoir où l’hydrogène pourrait s’accumuler et de concevoir des infrastructures qui préviendront ces risques avant qu’ils ne se matérialisent.
Même les mélanges d’hydrogène, tels que des mélanges allant jusqu’à 20 % d’hydrogène avec du gaz naturel, se comportent de la même façon que les systèmes de gaz naturel existants. Cependant, à mesure que les concentrations augmentent, le besoin de concevoir et de planifier intelligemment augmente également.
Qu’est-ce qui différencie l’hydrogène des autres combustibles?
Une part du défi repose sur les propriétés physiques uniques de l’hydrogène.
Comparativement à des combustibles comme le méthane ou l’essence, l’hydrogène est extrêmement léger, ce qui le rend sujet aux fuites et à une dispersion rapide. Il possède une plage d’inflammabilité beaucoup plus large et nécessite beaucoup moins d’énergie pour s’enflammer : de petites étincelles statiques peuvent suffire. Il peut interagir avec les matériaux, nécessitant des pipelines et des systèmes de stockage spécialisés. C’est là que les recherches de la Direction des technologies de l’hydrogène interviennent.
« Ces caractéristiques ne rendent pas l’hydrogène dangereux, mais elles signifient qu’il faut le manipuler avec soin », suggère la Dre Zhe (Rita Liang, chercheuse principale et chef de section de la sécurité de l’hydrogène chez les LNC. « Ce n’est pas que l’hydrogène soit plus dangereux; il est tout simplement moins connu du public. Si vous comprenez son comportement et en tenez compte dans la conception, vous avez déjà accès aux solutions. »
Recombineur autocatalytique passif : RAP
Bien que certains travaux se concentrent sur la prédiction de l’endroit où l’hydrogène pourrait se rendre, d’autres portent sur ce qu’il faut faire s’il se rend à cet endroit.
Les LNC ont mis au point des technologies qui éliminent l’hydrogène de l’air avant qu’il n’atteigne des niveaux dangereux. Au cœur de ce travail se trouvent des dispositifs appelés recombineurs autocatalytiques passifs (RAP), systèmes qui agissent comme des gardiens silencieux.
Au lieu d’enflammer l’hydrogène, ils utilisent des catalyseurs spécialement conçus, c’est-à-dire des matériaux qui déclenchent des réactions chimiques, pour recombiner l’hydrogène avec l’oxygène à de très faibles concentrations. Le résultat? De la vapeur d’eau.
Aucune flamme. Aucune explosion. Une simple conversion discrète en quelque chose d’inoffensif. Ces systèmes sont entièrement passifs et ne nécessitent pas d’alimentation, d’intervention humaine, ni d’activation.
« Ils restent simplement là », explique la Dre Liang. « Si de l’hydrogène est présent, ils commencent à fonctionner automatiquement. »
Cela en fait une solution à sécurité intégrée idéale, surtout dans les cas où l’alimentation pourrait être indisponible, comme lors d’urgences ou dans des environnements éloignés.
De la sécurité nucléaire aux applications quotidiennes
Bien que les recombineurs ne soient pas nouveaux, leurs utilisations actuelles représentent un changement important.
Conçus à l’origine pour les centrales nucléaires, où la prévention de l’accumulation d’hydrogène pendant les accidents est essentielle, les chercheurs des LNC adaptent ces mêmes technologies pour les utiliser dans les salles de stockage de batteries, les mines souterraines, les systèmes de transport de l’hydrogène, les installations industrielles et même pour de futures applications résidentielles alimentées à l’hydrogène.
Différentes conceptions, comme les recombineurs à haut débit pour les systèmes d’échappement ou les versions refroidies à l’eau pour les procédés industriels, permettent d’adapter la technologie à des environnements spécifiques.
Et contrairement aux systèmes de ventilation traditionnels, qui peuvent être énergivores, ces appareils offrent une solution de rechange à faible consommation d’énergie qui fonctionne continuellement en arrière-plan.
L’idée maîtresse ici, c’est que la sécurité de l’hydrogène ne repose pas sur une seule technologie; mais sur la combinaison de plusieurs technologies.
La modélisation DNF aide à prédire où l’hydrogène pourrait s’accumuler. Les recombineurs aident à l’éliminer. Les évaluations des risques permettent de calculer à la fois la probabilité de fuites et leurs conséquences potentielles, guidant les ingénieurs vers des conceptions plus sûres. Ensemble, ces couches forment un système de sécurité complet.
« Si vous connaissez les problèmes, ajoute la Dre Liang, vous avez déjà les solutions. La technologie est prête, il s’agit de l’appliquer correctement et de développer l’expertise qui l’entoure. »
Malgré sa promesse, l’hydrogène fait face à un obstacle majeur : la perception du public.
Pour beaucoup de gens, le mot « hydrogène » rappelle toujours les catastrophes historiques, comme l’explosion du dirigeable Hindenburg. Et bien que les systèmes d’hydrogène modernes soient beaucoup plus avancés, cette confiance prend du temps à bâtir.
C’est le même chemin qu’a suivi autrefois le gaz naturel.
Aujourd’hui, le gaz naturel est largement accepté dans les maisons, même s’il est également inflammable. Selon les chercheurs, l’hydrogène peut atteindre ce même niveau de confiance, mais seulement si la sécurité passe avant tout.
Faire de la sécurité le fondement du succès de l’hydrogène
L’hydrogène n’est pas seulement un combustible d’avenir, c’est un combustible que nous apprenons à maîtriser aujourd’hui.
Grâce à une modélisation avancée, à des technologies de sécurité passives et à des décennies d’expertise empruntée à l’industrie nucléaire, une équipe de chercheurs des LNC construit le filet de sécurité indispensable pour que l’hydrogène puisse s’imposer comme une véritable superpuissance énergétique.
En fin de compte, le succès de l’hydrogène ne dépendra pas seulement de sa propreté.
Il reposera sur la façon dont nous le rendons sécuritaire, et sur la confiance avec laquelle nous pourrons l’utiliser dans les espaces du quotidien.
Cette recherche est financée par le Plan de travail fédéral sur les activités de science et technologie nucléaires (FNST) d’Énergie atomique du Canada limitée (EACL), qui met en relation les organisations, ministères et agences fédéraux avec l’expertise et les installations en science nucléaire dont nous disposons au sein des Laboratoires de Chalk River.
Dans le cadre de ce Plan de travail, les chercheurs des Laboratoires Nucléaires Canadiens (LNC) mènent des projets dans le but de soutenir les responsabilités et les priorités fondamentales du gouvernement canadien dans les domaines de la santé, de la sûreté et de la sécurité, de l’énergie et de l’environnement.
