Entretien du numéro de septembre/octobre 2022, mis en ligne en janvier 2023, avec Eduard Hryha et Vladimir Navrotsky. Les capacités, projets et essais annoncés sont rapportés dans leur contexte de 2022, et non comme un état actuel de toutes les turbines.
L’hydrogène fait partie des pistes étudiées pour décarboner certains usages industriels. Selon l’AIE, la production d’électricité et de chaleur représentait 46 % de la hausse mondiale des émissions de CO₂ en 2021 : il ne s’agissait pas de 46 % du total mondial. Quel rôle la fabrication additive peut-elle jouer dans l’adaptation des turbines à gaz à l’hydrogène ?
J’ai beau travailler dans une presse professionnelle axée sur la technologie, il y a des sujets qui m’ont toujours paru utopiques. L’hydrogène est l’un d’entre eux. Cela a toujours semblé tellement fictif… comme dans L’île mystérieuse, un roman de l’écrivain français Jules Verne (publié en 1875), où un ingénieur explique à un journaliste comment l’eau pourrait un jour remplacer le charbon comme source d’énergie. Nous ne sommes pas très loin de cette réalité aujourd’hui, car l’hydrogène retient de plus en plus l’attention en tant que vecteur énergétique intersectoriel possible qui pourrait permettre de réduire les émissions dans plusieurs domaines d’activité, y compris ceux qui sont difficiles à maîtriser. Et je dois l’admettre : il ne s’agit pas d’un roman de science-fiction. C’est une réalité.
L’analogie littéraire a une limite : l’eau n’est pas ici une source d’énergie. L’hydrogène est un vecteur qu’il faut produire en consommant de l’énergie.
L’hydrogène peut être produit par électrolyse de l’eau, notamment avec de l’électricité renouvelable. Utilisé dans une pile à combustible, il produit de l’eau. Sa combustion dans une turbine n’émet pas de CO₂ provenant de l’hydrogène lui-même, mais peut générer des oxydes d’azote (NOx). Le bilan climatique dépend aussi de sa production, de son transport et du rendement de la chaîne.
Le présent dossier a pour ambition de comprendre le rôle des turbines à gaz dans cette transition vers les énergies renouvelables et le rôle que peut jouer la FA pour la rendre possible. Pour traiter ce sujet, nous aborderons les points suivants :
I – Le rôle des turbines à gaz dans un système énergétique durable.
II – Les stratégies de FA qu’on peut explorer pour rapprocher l’économie de l’hydrogène d’une mise en œuvre effective dans l’ensemble du secteur de la production d’énergie thermique ou pour permettre le démarrage de turbines à gaz vertes alimentées à l’hydrogène.
I – Le rôle des turbines à gaz dans un système énergétique durable
Une turbine à gaz transforme l’énergie d’un combustible en énergie mécanique, puis éventuellement en électricité. Sa flexibilité peut contribuer à l’équilibrage d’un réseau. Le gaz naturel reste toutefois fossile ; ni le biogaz, ni les gaz résiduels, ni un mélange enrichi en hydrogène ne sont automatiquement neutres en carbone.
La discussion sur les turbines à gaz alimentées à l’hydrogène est en priorité des agendas de plusieurs pays, car bon nombre d’entre eux cherchent à réduire leur dépendance à l’égard des combustibles fossiles. L’hydrogène devient donc une alternative intéressante lorsque les autres sources d’énergie renouvelables sont disponibles en quantité limitée ou fluctuante.
« Les turbines à gaz sont efficaces lorsqu’il s’agit d’équilibrer une production d’énergie renouvelable volatile, grâce à leur flexibilité et à leurs courts temps de montée en puissance. La production future d’électricité sans carbone nécessite une montée en puissance de la capacité d’hydrogène des turbines à gaz avec de l’hydrogène produit à partir d’eau et d’électricité renouvelable excédentaire. La production d’énergie à l’aide de turbines à gaz alimentées à l’hydrogène présente un autre avantage considérable : il s’agit d’une technologie de production d’énergie bien connue et bien établie dans le monde entier, ce qui signifie une introduction potentiellement beaucoup plus rapide, techniquement et économiquement réalisable, de la production d’énergie verte », déclare Eduard Hryha, professeur, division des matériaux et de la fabrication, science industrielle et des matériaux, directeur de CAM2.
Pour Vladimir Navrotsky, Chief Technology Officer de la FA et Senior Principle Key Expert chez Siemens Energy, l’intérêt pour les turbines à gaz alimentées à l’hydrogène est motivé par des considérations environnementales, politiques, technologiques et économiques qui méritent d’être mentionnées. Outre les objectifs nationaux spécifiques en matière d’émissions nettes nulles, les organisations devront très bientôt faire face à « des réglementations plus strictes sur les émissions et l’utilisation des combustibles fossiles en raison de l’accord de Paris (COP21), [ainsi que] d’autres initiatives (par exemple, le Green Deal européen, la Taxonomie européenne). » D’un point de vue économique, on note une « tarification croissante du carbone par le biais de taxes sur le CO2 ou d’échanges de droits d’émission et une pression des clients » : non seulement les entreprises et les services publics ont leurs propres exigences en matière de réduction de l’empreinte carbone, mais ils reçoivent également des exigences de la part des clients, des investisseurs et des institutions financières (par exemple, la Banque européenne d’investissement (BEI)).
D’un point de vue technologique, Navrotsky note que, par exemple, pour l’industrie chimique, la « possibilité d’utiliser des effluents gazeux riches en hydrogène provenant de raffineries et de processus chimiques » constitue une forte incitation à l’utilisation de turbines à gaz alimentées à l’hydrogène. Pour les industriels et les services publics, « le mélange futur potentiel d’hydrogène dans les réseaux et les gazoducs existants exige que les turbines à gaz et les centrales électriques existantes soient capables de faire face à une certaine part de la teneur en hydrogène du carburant. »
En d’autres termes, pour envisager un « avenir net zéro », une centrale électrique pourrait vouloir recourir au captage du carbone en postcombustion ou exploiter l’hydrogène vert dans des turbines à gaz nouvelles ou modernisées dans sa centrale existante. Les turbines à gaz prêtes pour l’hydrogène peuvent également fonctionner dans des centrales à cycle combiné. Dans ce cas, elles utilisent la chaleur excédentaire pour produire de la vapeur qui alimente une deuxième turbine.
Siemens Energy a obtenu en novembre 2021 un certificat TÜV SÜD pour son concept de centrale « H2-Ready ». La démarche distingue trois étapes. L’obtention du certificat de concept ne signifie pas que toutes les centrales ont déjà franchi les étapes de construction et de conversion :
- La phase d’appel d’offres – lorsque le concept de préparation à l’hydrogène est établi conformément à la feuille de route H2 du client (certificat de concept – générique).
- La phase de projet – lorsque le concept est mis en œuvre dans la conception et la construction d’une centrale électrique H2-Ready (certificat de projet – projet spécifique).
- Et la phase de transition – lorsque la centrale est convertie en centrale à hydrogène, une fois l’hydrogène disponible (certificat de transition – spécifique au projet).
« Le certificat de concept “H2-Ready” fournit une feuille de route décrivant comment une nouvelle centrale électrique doit être conçue pour la co-combustion d’hydrogène ou même brûler de l’hydrogène pur », Navrotsky explique.
L’utilisation de l’hydrogène impose de maîtriser coût, stockage, étanchéité et comportement de combustion. « L’hydrogène est un combustible très réactif, dont la température de la flamme est nettement supérieure à celle du gaz naturel. Par rapport au gaz naturel, sa vitesse de flamme est plus de trois fois supérieure et son délai d’auto-inflammation plus de trois fois inférieur », souligne Navrotsky.
Les écarts de vitesse de flamme et de délai d’auto-inflammation cités dépendent du mélange, de la pression et de la température. Ils illustrent le défi de conception évoqué dans l’entretien, sans constituer des constantes pour toute turbine.
Une partie de ce problème peut être résolue par l’intégration de processus de fabrication permettant d’adapter les composants des turbines à gaz à l’utilisation effective de l’hydrogène. C’est certainement là que la FA et la numérisation entrent en jeu.
II – Stratégies de FA qu’on peut explorer pour mettre en œuvre une économie d’hydrogène ou pour permettre une utilisation effective de turbines à gaz vertes alimentées à l’hydrogène
« La FA joue un certain nombre de rôles importants lorsqu’il s’agit de produire de l’hydrogène (par exemple par catalyse) ou de l’utiliser comme carburant », commente Hryha.
Le fonctionnement de base repose sur trois ensembles : le compresseur met l’air sous pression ; la chambre de combustion mélange cet air au combustible et élève la température ; les gaz chauds se détendent ensuite dans la turbine, qui fournit du travail mécanique. Une partie entraîne le compresseur, le reste pouvant entraîner un générateur.
Deux des aspects les plus importants de la chaîne de valeur de la FA sur lesquels les industries concentrent leur stratégie sont la conception (le « design ») et les matériaux.
Du côté de la conception
« La combustion de l’hydrogène est confrontée à de nombreux défis liés à la réactivité élevée de ce gaz et à la température élevée de la flamme. Par conséquent, pour faciliter cette opération, il faut une conception nouvelle et nettement plus complexe des brûleurs de combustible, qu’il n’est pas possible de produire à l’aide des technologies classiques de formage des métaux pour les matériaux modernes à haute température, afin de garantir un mélange de combustibles approprié et de permettre une combustion efficace de l’hydrogène. Par conséquent, les possibilités de conception presque illimitées offertes par la FA ouvrent de nouvelles voies pour la fabrication de brûleurs à combustible complexes, impossibles jusqu’à présent », souligne le professeur Hryha.
Cette liberté de conception reste soumise aux limites de fabrication, au post-traitement, aux essais et à la qualification des composants.
Siemens Energy a spécifiquement travaillé sur des applications de ce genre. Avec plus de 50 imprimantes 3D industrielles en interne annoncées à l’époque, Siemens Energy a déjà réalisé plusieurs applications dans cette filière et cherche actuellement à industrialiser davantage ses processus. Au cours d’une conversation avec 3D ADEPT Media, Navrotsky souligne comment la fabrication additive a joué un rôle essentiel dans l’accélération de la conception et du prototypage des brûleurs H2 de ses turbines à gaz :
« Dans notre atelier de Finspong, nous avons commencé à étendre la capacité H2 des turbines à gaz de taille moyenne avec la combustion DLE (Dry Low Emission) de troisième génération en 2008. En 2016, nous avons atteint 10 % de la capacité H2. La mise en œuvre de la FA pour la conception et la fabrication des brûleurs ‘MGT’ en 2016 a considérablement accéléré la progression de la capacité H2. En conséquence, en 2018, nous avons déjà atteint 50 % de H2, et en 2022 75 % de H2.
En 2023, nous prévoyons de tester 100 % de H2 pour certains châssis de turbine. La FA permet une conception qui peut gérer tous les problèmes mentionnés liés à la combustion du H2. La mise en œuvre d’une structure en treillis dans la conception du brûleur permet non seulement un bon mélange de l’hydrogène et de l’air du compresseur, mais elle agit également comme un dispositif de refroidissement – le combustible agit comme un fluide de refroidissement. Cela a permis d’abaisser la température du métal du brûleur pendant le fonctionnement. Actuellement, nos brûleurs de turbine à gaz SGT-600, -700 et -800 avec capacité H2 sont fabriqués avec la technologie de FA. »
Les pourcentages et le programme d’essai de 2023 sont les données annoncées par Navrotsky en 2022. Ils ne désignent pas la part d’électricité produite à partir d’hydrogène et ne prouvent pas une capacité identique pour tous les modèles ou toutes les installations.
Qu’en est-il des matériaux ?
Selon le professeur Hryha, « [le besoin de] matériaux à haute température, nécessaires pour une telle flamme à haute température, [dépasse] l’état actuel de la technique. C’est là que la FA présente un autre avantage : le contrôle des processus de solidification et de formation de la microstructure pendant la fabrication additive du composant complexe peut être utilisé pour synthétiser de nouveaux matériaux à haute température. »
Le projet MAGDA, financé par Vinnova pour la période 2021–2024, visait à développer des alliages à base de nickel, des paramètres de fusion laser sur lit de poudre et des traitements après fabrication adaptés à ces applications. Les débouchés évoqués dans cet entretien pour les poudres, les machines et les composants étaient des objectifs de recherche, pas une garantie de commercialisation.
Lorsqu’on lui demande pourquoi l’accent est mis sur les alliages à base de Ni, Hryha répond que ce « sont les matériaux candidats les plus appropriés pour les applications à haute température grâce à la combinaison d’une résistance et d’une stabilité élevées. » Le fait est que « les superalliages à base de Ni à haute performance nécessaires aux applications avancées, comme les composants des turbines à gaz alimentées à l’hydrogène, sont très difficiles à traiter par FA sans rencontrer d’importants problèmes de fissuration.
Nous mettons en œuvre une approche complète et holistique pour atténuer la fissuration dans les superalliages avancés à base de Ni pour les applications à haute température, en combinant trois ingrédients principaux : une conception d’alliage sur mesure, un procédé LB-PBF dédié et le développement du procédé de post-traitement. De nombreuses données rapportées se concentrent sur l’un de ces aspects, mais pour un matériau et une conception aussi complexes, le matériau, la FA et le processus de post-traitement doivent être développés en synergie pour garantir une fabrication additive robuste.
Le procédé LB-PBF offre une grande liberté de conception et de contrôle du processus, ce qui signifie qu’une combinaison intelligente avec le processus de post-traitement HIP nous permet non seulement de minimiser/éviter les défauts, mais aussi de contrôler la microstructure et les propriétés par l’intégration du HIP et du traitement thermique en un seul cycle (ce qui minimise également les coûts de fabrication) », poursuit-il.
La compression isostatique à chaud (HIP) peut contribuer à réduire certains défauts internes et à ajuster la microstructure avec un traitement thermique adapté. Elle ne garantit pas la disparition de toute fissure ni, à elle seule, la tenue en service : fatigue, fluage et corrosion doivent encore être évalués.
Même s’il n’a pas pu s’étendre davantage sur le projet pour l’instant, il a indiqué qu’il était important de bien comprendre les possibilités et les limites physiques et techniques au cours des trois étapes afin d’assurer la réussite, la faisabilité économique et technologique du matériau, du processus de fabrication et du post-traitement.
Autres considérations à prendre en compte
« De nombreux producteurs d’électricité peuvent penser qu’il suffit de remplacer les brûleurs des turbines à gaz, mais qu’il s’agisse de convertir une vieille centrale ou d’en construire une nouvelle, la préparation au H2 ne se limite pas à cela. Les combustibles à haute teneur en hydrogène posent des problèmes non seulement au système de combustion de la turbine à gaz, mais aussi à l’ensemble de la turbine à gaz et à la centrale. La conception de l’ensemble doit être évaluée pour s’assurer que tous les composants et systèmes sont capables de fonctionner en toute sécurité avec des teneurs en hydrogène plus élevées dans le combustible.
En amont du système de combustion, les combustibles à base d’hydrogène peuvent nécessiter des modifications des matériaux des composants, de la taille des tuyaux, ainsi que des capteurs et des systèmes de sécurité. En aval, le circuit d’échappement doit être évalué. Les propriétés variables des gaz d’échappement peuvent avoir une incidence sur le transfert de chaleur et les taux de corrosion, ce qui peut avoir un impact sur la durée de vie des composants », Navrotsky nous avertit.
L’entretien met en évidence un enjeu de système : brûleur, matériaux, procédés, contrôle et installation doivent évoluer ensemble. En 2022, plusieurs pistes restaient en développement. Leurs possibilités ne dispensaient pas des essais et de la coopération entre exploitants, chercheurs et fournisseurs.
Conclusions
La FA peut contribuer à des géométries de combustion et à des matériaux adaptés à l’hydrogène. Le bénéfice climatique doit toutefois être établi sur l’ensemble de la chaîne, de la production du combustible à l’électricité livrée, et distingué de la rentabilité économique. L’entretien présente des pistes techniques à qualifier, pas une solution universelle de décarbonation.
Ce dossier a initialement été publié dans le numéro de Septembre/Octobre 2022 de 3D ADEPT Mag.
LA NEWSLETTER HEBDOMADAIRE DE 3D ADEPT
L’industrie évolue. Gardez une longueur d’avance.
Chaque semaine, l’essentiel de la fabrication additive : actualités industrielles, dossiers de fond et applications concrètes, sélectionnés par notre rédaction. Vous êtes aussi les premiers informés de la sortie de chaque numéro de 3D ADEPT Mag.
Gratuit · Un e-mail par semaine · Désinscription à tout moment
En cliquant, vous chargez le formulaire de notre prestataire d’e-mailing, ainsi que ses statistiques et la protection anti-robots de Google. Votre inscription n’est enregistrée que si vous la validez. Consultez notre politique de confidentialité
