Comment les mélanges de gaz sont nécessaires pour la R&D des nouveaux carburants en mobilité

Pour cela, des analyseurs sont présents à différentes étapes de R&D, sur la chaîne de process, lors des phases de qualification sur des bancs de test.
Les analyseurs peuvent utiliser différents gaz d’instrumentation, gaz vecteurs et  tout particulièrement des mélanges de gaz spécifiques pour calibrer ces analyses.

Trois types de carburant pour la mobilité émergent:

1. L'E-fuel
2. L’hydrogène
3. L’ammoniac

Et en parallèle de nouveaux critères d’analyse et leurs gaz purs et mélanges associés sont nécessaires.

1. E-fuel

Les e-fuels constituent une famille nouvelle de carburants. Elle en est encore au stade de la démonstration.
Les e-fuels sont des carburants de synthèse, c’est-à-dire qu’ils sont issus d’un procédé consistant à re-combiner un mélange de monoxyde de carbone (CO) et d’hydrogène (H₂) pour former des molécules d’hydrocarbures (sans processus de distillation des fluides lourds).

Dans le cas des e-fuels, le monoxyde de carbone n’est pas issu de la biomasse, mais d’une molécule de CO₂ captée dans l’atmosphère ou dans des rejets industriels. L’hydrogène est obtenu pour sa part par électrolyse de l’eau qui transforme l’eau (H₂O) en oxygène (O₂) et en hydrogène (H₂).
L’apport en énergie est nécessaire à la transformation de la molécule de CO₂ avec l’H₂ pour réaliser les E-fuel. Cette énergie doit être bas-carbone.
Pour le contrôle de la qualité de E-fuel : l’analyse des carburants devient une nécessité afin de contrôler la nature et la qualité du produit et de ne pas endommager les moteurs ou les systèmes d’injection.
L’analyse de la combustion sur banc moteur ou sur route sera nécessaire pour valider ce nouveau carburant au regard des seuils de d’impuretés rejetées.
Selon les impuretés recherchées, les technologies d’analyse peuvent utiliser des gaz process (azote, hydrogène, air zéro..) des gaz vecteurs (hélium, hydrogène…) mais aussi des mélanges spécifiques de calibration pour les niveaux d’impuretés souhaités. 

2. Hydrogène

Récupérer de l’énergie pour la mobilité à partir d’hydrogène (H₂) renouvelable ou bas-carbone préalablement stocké se fait de deux façons :

• Soit sous forme d'énergie via sa combustion directe avec l’oxygène (O₂) dans les moteurs à combustion.
• Soit sous forme d’électricité via une pile à combustible (PaC Pile à Combustible- réaction de l’hydrogène et de l’oxygène) pour alimenter des moteurs électriques.

La combustion de l'hydrogène : 
Elle produit essentiellement de l'eau et de la chaleur et rejette des oxydes d'azote (NOx) et des traces de composé carboné issues de la combustion des lubrifiants du moteur.
Pour obtenir un très haut rendement et de très faibles émissions de NOx, il faut notamment exploiter différentes propriétés de l’hydrogène comme sa capacité à brûler rapidement en mélange très pauvre.

L’analyse et la quantification des oxydes d’azote et des composés carbonés est primordiale. Pour garantir les mesures de ces impuretés, des mélanges de gaz spécifiques doivent être utilisés avec différentes concentrations de NOx, CnHm…

L’hydrogène pour produire de l’électricité :
L'hydrogène sert à alimenter une pile à combustible (PaC) en présence d’oxygène contenu dans l’air, la pile convertit l’énergie chimique de l'hydrogène et de l’oxygène en énergie électrique.
Cette électricité produite permet le fonctionnement du moteur électrique qui fait avancer le véhicule.
La production électrique de la PaC émet de la vapeur d'eau. Dans le cadre de tests de fonctionnement et de performance, des analyses complémentaires peuvent être réalisées avec des seuils ou des teneurs d’impuretés résiduels très bas. Là aussi les technologies d’analyse nécessitent des mélanges de gaz spécifiques selon les indices de concentrations recherchées. 

La qualité d’hydrogène pour les Pac :
Les normes de qualité pour l'hydrogène utilisé dans les piles à combustible sont établies par des organismes de réglementation tels que l'International Organization for Standardization (ISO) et l'American Society of Mechanical Engineers (ASME).
En Europe, la qualité d’hydrogène doit respecter la norme ISO 14687-2 / EN 17124. 
Des sociétés de services spécialisées peuvent réaliser le contrôle des 14 impuretés dans l’hydrogène avec des seuils de concentration maximum par impureté.
Les échantillonnages doivent être réalisés via un kit de prélèvement hydrogène au niveau du pistolet de la station (voir tableau).

La sommes des impuretés ne doit pas dépasser 300 ppm mole et le titre de l’hydrogène doit être de 99,97 (N37) minimum.
Pour cela les laboratoires de contrôle qualité de l’hydrogène  doivent s'équiper d'analyseurs et de mélanges associés pour leurs calibrations.

Plusieurs méthodes analytiques ont été mises au point pour optimiser la qualité d’analyse de l'hydrogène. Les techniques spectroscopiques (GC-MS) et chromatographiques avec plusieurs détecteurs (FID, TCD, DID) sont celles qui couvrent le plus d'impuretés. Cependant, certains composés ne peuvent pas être analysés par spectroscopie: l'azote, l'argon et l'hélium. Il convient de tenir compte du fait que même si la même technique peut effectuer l'analyse, elle peut nécessiter plusieurs configurations ou un matériel différent pour fournir ces résultats.
Un autre inconvénient est l'analyse des hydrocarbures, du soufre et des composés halogénés, qui est partielle, c'est-à-dire que seuls certains composés de ces familles sont détectés.

3. L’ammoniac

Dérivé azoté de l’hydrogène, l'ammoniac est l’un des vecteurs d’énergie prometteurs.
Molécule non-carbonée (NH₃), son utilisation comme combustible permet, comme l’hydrogène, d’éviter l’émission de CO₂, de CO ou bien supprimer ou réduisant les particules de suies.
Pour rendre les moteurs thermiques plus propres, les prototypes de moteur fonctionnant à l’ammoniac  se multiplient.
L’ammoniac est très corrosif, pour l’utiliser sur un moteur essence ou diesel, il faut donc retirer tous les éléments en cuivre, en nickel et en caoutchouc pour ne pas avoir de problème de fiabilité.
L’analyse de la combustion sur banc moteur ou sur route sera nécessaire pour valider ce nouveau carburant au regard des seuils d’impuretés rejetées.

Selon les impuretés recherchées, les technologies d’analyse peuvent utiliser des gaz process (azote, hydrogène, air zéro..) des gaz vecteurs (hélium, hydrogène…) mais aussi des mélanges spécifiques de calibration pour les niveaux d’impuretés souhaités. 

Découvrez l’ensemble de nos gaz purs et mélanges sur notre site web.