exemples de réussite
Vaporisation de précision pour l’hydrogène solaire : de 25 g/h à 100 g/min
Description du projet
Un développeur d’hydrogène vert devait injecter de la vapeur en tant que réactif dans un réacteur solaire, avec un contrôle très précis du débit, de la pression et de la température. Le défi consistait à fonctionner dans une plage comprise entre 25 g/h et 2,5 kg/h grâce à une solution flexible et adaptable à l’évolution du projet.
Situation initiale
Quels sont les défis que le client nous a présentés ?
Un développeur technologique spécialisé dans la production d’hydrogène vert à partir de l’énergie solaire à concentration s’est adressé à Giconmes avec une demande peu courante : injecter de la vapeur d’eau comme réactif dans un réacteur thermochimique chauffé par rayonnement solaire concentré sur des tubes longitudinaux.
Ici, la vapeur n’est pas un fluide de service, mais un réactif de procédé. Et c’est là que résidait le véritable défi : parvenir à un contrôle très précis et simultané du débit, de la pression et de la température, en travaillant avec des débits extrêmement faibles.
Les besoins étaient initialement de 3 kg/h à 1 barg et de 7 kg/h à 3 barg, mais au fur et à mesure de l’avancement de l’ingénierie du réacteur, ils ont été considérablement réduits pour atteindre un minimum de 25 g/h et un maximum de 2,5 kg/h.
Ces valeurs sont inférieures de deux ordres de grandeur à la plage habituelle d’un générateur de vapeur industriel. À cette échelle, tout équipement conventionnel à résistances avec chaudière est exclu : l’inertie thermique du volume d’eau accumulé empêche un dosage aussi précis que l’exige un procédé chimique, et les fluctuations de pression et de température associées aux cycles de chauffage sont inacceptables lorsque la vapeur intervient dans la réaction.
À cette exigence s’ajoutait une contrainte propre à tout projet de R&D en cours de développement : les paramètres de conception continuaient d’évoluer. Le client avait besoin d’une équipe capable de s’adapter à différentes échelles de travail, capable d’accompagner le projet sans se retrouver à court lors de la prochaine itération et, parallèlement, d’une proposition qui lui servirait de référence technique et économique pour le dimensionnement global de l’installation.
Solution fournie
Solution vapeur développée ad hoc par Giconmes
Solution proposée
Giconmes a proposé la série NGV HP, sa gamme de générateurs de vapeur de précision, spécialement conçue pour les applications scientifiques et industrielles de faible capacité où la vapeur doit être fournie avec un contrôle rigoureux du débit, de la pression et de la température.
Un principe de fonctionnement différent de celui d’un générateur classique. La série NGV HP ne comporte pas de chaudière: une pompe à haute précision dose l’eau directement sur un évaporateur, où la vaporisation s’effectue instantanément, au rythme exact de l’arrivée d’eau.
En l’absence de volume accumulé, l’inertie thermique qui empêche un dosage précis disparaît, et le débit de vapeur est directement déterminé par la consigne.
Le système, piloté par un contrôleur à microprocesseur, présente ainsi les caractéristiques suivantes :
- Débit: plage de régulation de 0,1 g/min à 100 % de l’échelle, avec une précision de ±1 % en régime permanent et de ±5 % de l’échelle complète en régime transitoire. La mesure du débit est indépendante de la contre-pression.
- Température: vapeur surchauffée réglable entre 100 et 200 °C (extensible jusqu’à 400 °C), avec une précision de ±2 °C.
- Pression: fonctionnement standard de 1 à 6 bars (abs), avec des options allant du vide à 15 ou 20 bars (abs).
La vapeur produite est pure, sans qu’il soit nécessaire d’utiliser un gaz vecteur, et le démarrage complet s’effectue en cinq minutes.
Bien que les débits de travail prévus fussent très faibles, le modèle NGV HP-6000 (6 kW, jusqu’à 100 g/min) a été retenu.
La raison est davantage stratégique que thermique : étant donné que la plage de régulation commence à 0,1 g/min, l’équipement couvre largement aussi bien les 25 g/h initiaux que toute mise à l’échelle ultérieure du réacteur, sans compromettre la précision à l’extrémité inférieure. Le client dispose ainsi d’un équipement unique compatible avec différentes plages de fonctionnement, ce qui lui évite de devoir le remplacer lors des phases ultérieures du projet.
Le générateur intègre un logiciel de contrôle open source en Java et une connectivité Modbus TCP de série (avec Modbus RTU, RS232/RS485 et un signal analogique 4–20 mA en option), ce qui permet de le commander et de le surveiller à distance, ainsi que de l’intégrer au système de contrôle du réacteur.
Les matériaux en contact avec l’eau sont le PTFE, l’acier inoxydable, le PEEK et l’EPDM, et les raccords sont de marque Swagelok®, conformément à l’équipement habituel d’une installation expérimentale.
Technologie utilisée
- Générateur de vapeur NGV HP-6000 de 6 kW, sans chaudière et à vaporisation instantanée
- Commande par microprocesseur, logiciel Java et connectivité Modbus TCP
- Raccords Swagelok® destinés à l’intégration expérimentale
DÉFIS
Nous répondons aux exigences des clients
L’installation a pleinement répondu aux objectifs fixés par le client. Parmi les principaux résultats, on peut citer :
Une précision qui permet de comparer les essais. Vapeur dosée avec une précision de ± 1 % en débit et de ± 2 °C en température : la variabilité du réactif cesse d’être une variable de l’expérience.
Un seul équipement pour l’ensemble du projet. La plage de 0,1 à 100 g/min couvre à la fois la phase expérimentale actuelle et les mises à l’échelle prévues, ce qui élimine le risque de devoir remplacer l’équipement en cas de nouvelles révisions des spécifications.
Réponse immédiate. En l’absence d’accumulation d’eau, les modifications de consigne sont quasi instantanées et le démarrage s’effectue en cinq minutes — ce qui est essentiel lorsque les campagnes d’essais dépendent de la disponibilité du rayonnement solaire.
Intégration directe. La connectivité Modbus TCP et le logiciel ouvert permettent d’intégrer le générateur au système de commande du réacteur sans développement supplémentaire.
Vous avez besoin d’une solution personnalisée ?
Nous vous aidons à définir le type d’installation dont vous avez besoin
Il n’y a pas d’émissions polluantes autres que celles produites dans le processus de production d’électricité, de sorte qu’elles peuvent devenir neutres en fonction du mix électrique. Les chaudières électriques à vapeur sont le présent et l’avenir.
Parfaitement. Elle est même recommandée pour une efficacité maximale. Il n’y a pas de problème de télécommande tant que la réglementation en vigueur est respectée.
Un générateur de vapeur est un équipement sous pression qui, avec le réseau de tuyauterie concerné, est soumis à un contrôle réglementaire et à des instructions techniques complémentaires, conformément au règlement publié dans le décret royal 809/2021, du 21 septembre. Son entretien est divisé en une partie de conformité simple par le propriétaire :
- Connaître et appliquer les instructions d’utilisation, les moyens de sécurité et l’entretien du fabricant.
- Ne pas mettre en service l’installation ou empêcher le fonctionnement de l’équipement sous pression si les exigences du règlement ne sont pas respectées.
- Disposer au moins de la documentation suivante pour l’équipement sous pression lorsqu’il est installé : déclaration de conformité, le cas échéant, instructions du fabricant et, le cas échéant, certificat d’installation, ainsi que d’autres documents justificatifs (le cas échéant, projet d’installation, rapport de la dernière inspection périodique, certificats de réparation ou de modification de l’équipement, ainsi que tout autre document requis par l’instruction technique complémentaire (ITC) correspondante du présent règlement). Pour le contenu, voir l’annexe IV du règlement. Cette documentation est à la disposition de l’organisme compétent de la communauté autonome et des entreprises qui effectuent l’entretien, les réparations ou les contrôles périodiques.
- Utilisez l’équipement sous pression dans les limites de fonctionnement spécifiées par le fabricant et mettez-le hors service s’il ne répond plus aux exigences de sécurité nécessaires.
- Entretenir les installations, les équipements sous pression, les accessoires de sécurité et les dispositifs de contrôle conformément aux conditions d’exploitation et aux instructions du fabricant et les inspecter au moins une fois par an .
- Ordonner des contrôles périodiques conformément aux dispositions de l’article 6 du règlement.
- Disposer et tenir à jour un registre des équipements sous pression des catégories I à IV, du RD 709/2015, du 24 juillet, ou assimilés à ces catégories conformément à l’article 3.2 du règlement, ainsi que de leurs installations.
Il est bien connu qu’en appliquant une source de chaleur à l’eau, celle-ci se transforme en vapeur à partir du point d’ébullition et à la pression atmosphérique. À partir de ce point, en fonction du degré de saturation de la vapeur requis pour son application correcte, nous devrons augmenter la pression afin d’obtenir une température plus élevée. Pour modifier la température et le degré de saturation de la vapeur, il faut toujours modifier la pression.
Il s’agit d’une unité de pression équivalente à 1Kg/cm2, 0,98 atmosphère ou 14,50 PSI.
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