L'hydrogène, en tant que vecteur énergétique prometteur, suscite un engouement croissant dans les secteurs de l'énergie, du transport et de l'industrie. Toutefois, derrière ses avantages écologiques et son potentiel d'innovation, l'hydrogène présente également des risques qui nécessitent une attention particulière. Le risque hydrogène fait référence aux dangers liés à la production, au stockage, au transport, à la distribution et à l’utilisation de cet élément hautement inflammable.
Les Risques Associés à l'Hydrogène
Plusieurs caractéristiques spécifiques de l’hydrogène sont de nature à augmenter le risque :
- Une facilité à fuir due à la petite taille de sa molécule et à sa faible viscosité en cas de défaut d’étanchéité.
- Un domaine inflammable à pression et température ambiantes très étendu de 4% à 75% en volume.
- La perméation à travers les matériaux.
- La fragilisation de certains matériaux métalliques.
- La très faible énergie d’inflammation.
- Le risque de détonation sous certaines conditions de concentration en hydrogène dans l’air comprise entre 11% et 59%.
La manipulation de l’hydrogène présente donc un certain nombre de dangers sérieux. Néanmoins, une bonne connaissance de ces dangers et de leur parade doit permettre de mettre en œuvre une conception sûre des systèmes utilisant l’hydrogène.
Spécificités de l’Hydrogène
L’hydrogène est un gaz incolore et inodore, il n’est donc pas spontanément détectable par nos sens. Ni toxique ni explosif, dilué dans l’air, il devient inflammable et potentiellement explosif dans certaines conditions. Il faut donc prendre toutes les mesures nécessaires pour éviter qu’il ne se répande hors des enceintes où il est stocké ou des canalisations dans lesquelles il circule.
Sa flamme est incolore, ce qui présente un inconvénient (invisible donc non détectable visuellement) et un avantage (la chaleur ne rayonne pas et a donc moins de risque d’enflammer d’autres objets ou surface à proximité). D’une très faible densité et possédant un fort coefficient de diffusion, il a également naturellement tendance à s’élever et à se mélanger à l’air ambiant. Ainsi, en espace libre, il s’échappe et se dilue très rapidement sans former de poche d’accumulation. En espace confiné, une accumulation reste possible, comme pour les autres gaz. Dans le cas de l’hydrogène, elle se formera en règle générale en point haut.
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Comparaison avec d'autres gaz
A titre de comparaison, l’hydrogène est huit fois plus léger et possède un coefficient de diffusion quatre fois plus grand que le méthane qui compose à 95% le gaz naturel. Selon, l’Ifpen, ce gaz se diffuse respectivement environ 4 et 12 fois plus vite dans l’air que le méthane et les vapeurs d’essence. Sa température d’auto-inflammation dans l’air est de 585° C contre 537 et de 228 à 501° C pour les 2 autres produits. L’hydrogène contient 3,5 et 22 fois moins d’énergie explosive que le GNV, et les gaz de SP95. En revanche, l’étincelle provoquant une réaction d’inflammation peut-être 10 fois moins élevée, comparativement aux 2 autres produits mis en comparaison. A noter que les risques d’asphyxie avec l’hydrogène sont très faibles.
Règles de Conception Sécuritaire des Systèmes Hydrogène
Trois grands principes permettent de maîtriser le risque de création d’une atmosphère explosive en hydrogène au sein d’un système hydrogène :
- Éviter les fuites grâce à une conception sûre et un entretien adéquat (politique de maintenance) en limitant par exemple le nombre de raccords vissés et les opérations de montages et démontages fréquentes.
- Ventiler correctement tous les espaces clos dans lesquels une fuite pourrait entraîner une accumulation d’hydrogène.
- Détecter la fuite dès son apparition et déclencher une fermeture rapide du système d’alimentation en hydrogène.
Les concepteurs privilégient généralement une ventilation par convection naturelle à condition de bien s’assurer qu’elle soit suffisante et opérationnelle quelles que soient les conditions extérieures (vent et température notamment). Des détecteurs d’hydrogène sont donc judicieusement placés près des points de fuite potentiels et partout où il y a un risque d’accumulation d’hydrogène. On veille par conception à assurer une redondance tant au niveau des détecteurs que des calculateurs et logiciels dédiés aux traitements des données pour conserver un niveau de sécurité suffisant en cas de panne de l’un d’entre eux.
Des dispositifs de coupure automatique de l’alimentation en hydrogène en cas de détection de fuite sont installés. En général, on fixe un premier seuil d’alarme haut à 10% de la Limite Inférieure d’Explosivité (LIE) et un deuxième seuil critique à 20 % de la LIE. De même, les concepteurs doublent les vannes de coupure automatiques par des vannes manuelles situées dans des zones non exposées.
Sécurité et Homologation des Véhicules à Hydrogène
Concernant plus précisément la sécurité et l’homologation des véhicules à hydrogène, celle-ci repose également sur l’homologation CE des nombreux composants constitutifs du système hydrogène intégré sur le véhicule. En Europe, tous ces composants doivent subir des essais règlementaires dans des laboratoires notifiés par l’autorité compétente de réception afin de pouvoir être installés dans des véhicules.
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La sécurité des véhicules à hydrogène est donc garantie par leur homologation, avant la mise en circulation, comme pour tous les autres types de véhicules destinés à circuler sur la voie publique. L’autorité publique garantit ainsi que le niveau de sécurité est celui attendu par la règlementation. En sus des règles d’homologation classiques pour les véhicules thermiques et des règles liées à l’électrification du système de propulsion, les véhicules à PAC sont soumis à des règlements européens spécifiques.
Cette démarche d’homologation est de la responsabilité du constructeur du véhicule. Les constructeurs de véhicules à hydrogène réalisent une analyse globale de sûreté de fonctionnement du système hydrogène et de son interaction avec le véhicule et son environnement.
Formation sur les Risques Hydrogène
Il est vivement recommandé de faire suivre à son personnel une formation sur les risques hydrogène auprès d’experts de la filière. La formation est essentielle à tout projet de mobilité hydrogène, comme le nécessite l’introduction de toute nouvelle technologie auprès d’utilisateurs non connaisseurs. Des modules de formation, abordant les problématiques de sécurité doivent intervenir en amont du projet de déploiement, sur toute la chaine de valeur de l’hydrogène énergie (production, stockage, applications), ses spécificités (caractéristiques physiques et chimiques), les risques liés à son utilisation, les mesures de sécurité à mettre en œuvre (normes et réglementation).
L’objectif étant de comprendre le circuit de l’hydrogène à l’intérieur d’une station-service ou dans un véhicule, les sécurités mises en place, et leur rôle dans la sécurité de l’application est également nécessaire à la bonne compréhension des enjeux. Il est important d’associer les personnes qui seront au contact direct de l’application (utilisateurs de véhicules, chauffeurs, personnels de maintenance des véhicules et des stations, etc.)
Intervention en Cas d'Accident
En cas d’accident, le conducteur du véhicule devra se comporter de la même façon que pour tout autre type de véhicule : commencer par couper le contact et se mettre hors de danger pour appeler les secours. D’éventuelles recommandations additionnelles ou spécifiques sont décrites dans le manuel d’utilisateur fourni par le constructeur à destination des primo-intervenants.
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Le processus d’intervention de chaque véhicule est décrit par l’intermédiaire de fiches FAD (Fiche d’Aide à la Désincarcération) et ERG (Emergency Response Guide). Ces dernières ont pour but d’aider les services de secours à déterminer les éléments précis et généraux, sources de danger d’un véhicule, et à se protéger et protéger le public au cours de la phase d’intervention initiale consécutive à un accident. Le personnel de secours est formé et adapte son processus d’intervention suivant le type de véhicule sur lequel il doit intervenir.
Stockage de l'Hydrogène
L’hydrogène peut être stocké sous ses trois états : gazeux, liquide ou solide. Pour l’hydrogène mobilité, le stockage gazeux de l’hydrogène est le plus fréquent et le plus simple puisque, d’une part, l’hydrogène est gazeux à température et pression ambiantes et, d’autre part, la production par électrolyse ou par vaporeformage génère de l’hydrogène sous forme gazeuse. La masse volumique de l’hydrogène étant faible, ce gaz occupe alors un volume très important aux conditions atmosphériques standard.
Aujourd’hui la majeure partie des constructeurs automobiles a retenu la solution du stockage sous forme gazeuse à haute pression. Cette technologie permet de stocker la quantité d’hydrogène nécessaire à un véhicule alimenté par une pile à combustible pour parcourir des distances équivalentes aux véhicules thermiques traditionnels. On le comprime donc pour le manipuler plus facilement et surtout le transporter. Le stockage à 700 bar semble être le meilleur compromis entre densité énergétique, flexibilité, sécurité d’emploi et coût.
La distribution d’hydrogène en station-service est soumise à des réglementations strictes pour garantir la sécurité des utilisateurs et de l'environnement.
Prévention Incendie et Mesures de Sécurité
Fort de ce constat et afin de limiter les risques, il devient alors urgent de se pencher sur la prévention incendie pour les installations en s’appuyant sur des éléments de prévention et de protection existants :
- Sécurité intégrée des équipements et machines : ATEX / CEM/ BT (+ ESP)
- Réalisation et maintenance des installations : il n’y a pas de définition réglementaire précise pour les installations électriques en atmosphère explosive.
De manière générale, un sinistre impliquant l’hydrogène peut être de deux natures différentes : soit il s’agit d’une fuite d’hydrogène non enflammée, soit d’une fuite enflammée. Dans la mesure où l’hydrogène est un gaz combustible, le risque majeur est la génération d’une explosion liée à la rencontre d’une poche de gaz située dans la bonne concentration avec une source d’ignition.
En cas de fuite d'hydrogène non enflammée, il est crucial de :
- Définir un périmètre de sécurité adapté et faire évacuer les personnes en dehors de ce périmètre.
- Couper, dans la mesure du possible, la fuite d’hydrogène et les sources d’ignition à distance.
- Si la coupure de la fuite est impossible, maintenir le périmètre sécurisé jusqu’à la vidange totale de la source d’hydrogène.
- Ventiler les locaux pour évacuer les poches de gaz résiduelles.
- Engager le minimum de personnel dans la zone à risque et les munir d’équipement de détection gaz individuelle portatif H2.
En cas de fuite enflammée, l'intervention est contrainte par le fait que la flamme d’hydrogène est invisible à l’œil nu, n’émet pas de fumée et le rayonnement thermique est imperceptible. Il est recommandé de :
- Repérer la zone de danger, en utilisant une caméra thermique ou un extincteur à poudre pour « révéler » la flamme.
- Positionner l’équipe d’intervention à distance de sécurité en protection derrière le véhicule d’intervention ou d’un bâtiment par exemple.
- Engager du personnel en tenue de feu complète avec protection respiratoire.
Leçons Tirées des Accidents et Tests
Marc Mouthon a repris son bâton de pèlerin pour mettre en garde contre les failles de sécurité que l’on trouve déjà sur les véhicules hydrogène, et en particulier sur la Toyota Mirai. « Actuellement, la réglementation minimise les risques et les besoins de sécurité. Elle a été rédigée un peu comme un compromis pour plaire à un peu tout l’écosystème.
Avec des réservoirs d’hydrogène prévus pour 350 bars, le rayon n’est plus que de 2 mètres. Selon l’orientation, le véhicule amortit les rejets. Le capotage fait aussi la différence, car il impacte la direction et la puissance des jets. Aujourd’hui, c’est le réservoir nu qui fait l’objet d’une homologation.
Lors de formations, des comparaisons sur des modèles non sécurisés avec du GNV à 200 bars, de l’hydrogène à 350 et à 700 bars ont été effectuées. Avec le gaz naturel, la caméra thermique s’affole et le réservoir est entièrement disloqué au bout d’un peu plus de 4 minutes, sans flamme, ou avec une boule de feu.
« La chaleur dégagée est beaucoup moins importante avec l’hydrogène. À l’éclatement, le réservoir est propulsé mais pas détruit. Vous le retrouvez seulement percé à un bout avec le l’hydrogène à 350 bars. A 700 bars, il ressort plus abîmé, mais il est toujours là. C’est la taille de la molécule qui est en cause.
Conclusion
L'hydrogène, malgré ses risques inhérents, peut être utilisé en toute sécurité avec une connaissance approfondie des dangers et des mesures de sécurité appropriées. La formation, la prévention et l'intervention rapide sont essentielles pour minimiser les risques et garantir un avenir énergétique durable.
| Propriété | Hydrogène | Méthane (GNV) | Vapeurs d'Essence |
|---|---|---|---|
| Vitesse de diffusion dans l'air | 4 fois plus rapide que le méthane, 12 fois plus rapide que l'essence | - | - |
| Température d'auto-inflammation | 585°C | 537°C | 228-501°C |
| Énergie explosive | 3,5 à 22 fois moins que le GNV et l'essence | - | - |
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