La comparaison entre l’hydrogène, le gaz naturel et le propane permet de mettre en évidence ses particularités. Le tableau ci-dessous reprend les principales propriétés de ces gaz.
Tableau 68. Propriétés comparés de l’hydrogène, du gaz naturel (méthane) et du propane
Hydrogène (H2) Gaz naturel (CH4) Propane (C3H8)
Masse molaire (en g/mol) 2 16 44
Masse volumique (aux conditions
atmosphériques) [en kg/m3] 0,08 0,7 1,87
Chaleur de combustion (inférieure) [en kJ/g] 120 50 46
Limites du domaine d’inflammabilité dans l’air [en
vol %] 4,0. 75,0 5,3. 15,0 2,1. 9,5
Énergie minimale d’inflammation [en mJ] pour
mélange stœchiométrique à pression et
température ambiantes
0,02 0,29 0,26
Température d’auto-inflammation [°C] 585 540 487
Température de flamme [°C] 2 045 1 875
Limites de détonabilité [en vol %] 13. 65 6,3. 13,5
Taux de combustion dans l’air (aux conditions atmosphériques) ou vitesse de flamme laminaire [en cm/s]
265. 325 40 30. 40
Énergie explosive [en kg TNT/m3] 2,02 7,03 20,3
Vitesse de diffusion dans l’air [cm/s] 0,61 0,16
Vitesse de flamme dans l’air [cm/s] 260 37
Vitesse de détonation [km/s] 2 1,8
L’hydrogène est un gaz incolore, inodore, non toxique et non corrosif. Les risques liés au stockage et à l’utilisation de ce gaz sont :
- Un risque d’asphyxie, - Un risque thermique, - Un risque explosif.
À l’état liquide ou gazeux, l’hydrogène est particulièrement sujet aux fuites à cause de sa basse viscosité et de sa faible masse moléculaire ; du seul fait de sa faible viscosité, le taux de fuite de l’hydrogène liquide est notamment 50 fois supérieur à l’eau.
Sous forme gazeuse, sa viscosité à température ambiante est également la plus faible de toutes celles des autres gaz ; il traverse ainsi aisément les parois poreuses et fuit très facilement par le moindre interstice. Il peut donc s’échapper d’un appareil ou d’un circuit qui serait étanche vis-à-vis de l’air ou d’un autre gaz.
7.1.1 Risque d’asphyxie
L’augmentation de la concentration en hydrogène entraîne la diminution du taux d’oxygène ce qui peut provoquer une asphyxie, comme pour tous les gaz. Ce risque est à prendre en compte uniquement pour les milieux confinés car l’hydrogène est un gaz très léger qui se dilue très rapidement dans l’air.
En milieu confiné, le risque d’explosion reste prépondérant au risque d’asphyxie.
7.1.2 Risque thermique
La limite inférieure d’inflammation de l’hydrogène est comparable à celle du gaz naturel. Cependant sa limite supérieure d’inflammation est nettement plus élevée. Ainsi la plage d’inflammabilité du mélange air – hydrogène et donc le risque d’inflammation de nuages riches en hydrogène pouvant se former au voisinage d’une fuite est plus important que pour le gaz naturel ou le propane.
L’énergie nécessaire pour enflammer l’hydrogène à la stœchiométrie est nettement plus faible que pour le gaz naturel ou le propane, ce qui le rend facilement inflammable.
La flamme d’hydrogène rayonne peu, ce qui limite le risque de propagation par effet de rayonnement thermique en cas d’incendie. Cependant, elle est quasi invisible en journée, ce qui constitue un risque.
7.1.3 Risque explosif
La vitesse de propagation de la flamme permet de déterminer la nature du régime énergétique de l’explosion :
- Déflagration : le front de flamme se déplace à une vitesse subsonique (inférieure à la vitesse du son), les gaz frais sont alors compressés par l’expansion du volume d’où une augmentation continue de la pression dans le nuage gazeux,
- Détonation : la vitesse de la flamme est supersonique (supérieure à la vitesse du son), on observe la formation d’une onde de choc.
La flamme d’hydrogène se propage beaucoup plus vite que celle du gaz naturel. Par conséquent, le risque de détonation ne peut être exclu.
Le risque principal lié à l’hydrogène est celui de l’incendie ou de l’explosion (84 % des accidents recensés), du fait de son domaine d’inflammabilité très large (de 4 à 75 % dans l’air, plus large encore dans des atmosphères enrichies en oxygène ou en chlore), ainsi que de sa très faible énergie d’activation.
7.1.4 Dégradation des métaux et alliages par l’hydrogène
La dégradation des métaux et alliages exposés de façon continue à l’hydrogène peut provoquer des fuites de substances ou des ruptures franches d’équipements. Deux modes de dégradation sont ainsi distingués pour les aciers : la fragilisation par l’hydrogène et l’attaque par l’hydrogène.
Il s’agit de la diffusion d’hydrogène dans les matériaux et notamment au niveau des cavités, joints de grains ou interfaces. La recombinaison des atomes (en H2 dans le cas de la fragilisation et en méthane
(CH4) à température élevée dans le cas de l’attaque par l’hydrogène) exerce une pression dans la
matrice qui endommage le matériau de manière irréversible
La fragilisation par l’hydrogène recouvre plusieurs phénomènes :
- Le cloquage par l’hydrogène : absorption d’hydrogène atomique à la surface des matériaux généralement à faible résistance provoquant la formation de cloques.
- La fragilisation par l’hydrogène : absorption d’hydrogène atomique dans des matériaux à forte résistance provoquant la baisse de la ductilité du matériau et une augmentation des tensions internes.
- La fissuration sous hydrogène : forme de cloquage par l’hydrogène pouvant affecter l’intégrité du matériau.
L’attaque par l’hydrogène à haute température conduit à une perte de résistance et de ductilité du matériau résultant de fissurations internes et de la décarburation du matériau dues à la réaction de l’hydrogène absorbé avec les carbures du matériau. Ce phénomène est fréquent au niveau des coudes des conduites ou en présence de contraintes spécifiques.
7.1.5 Réaction avec le chlore
Le chlore réagit spontanément avec l’hydrogène selon la réaction H2 + Cl2 --> 2 HCl ; cette réaction,
lente dans l’obscurité, est explosive en présence de lumière ou de chaleur. Elle peut aussi être initiée par l’énergie liée à l’écoulement turbulent du fluide contre les parois d’une canalisation. Dans le cas le plus défavorable, la limite inférieure d’explosivité de l’hydrogène dans le chlore peut s’abaisser jusqu’à 3,1%.
L’élévation de température qui suit l’explosion peut par ailleurs conduire à une combustion chlore/métal, avec disparition de l’équipement. En effet, la température limite de tenue du matériau en présence de chlore s’élève à 100 °C pour le plomb, 120 °C pour l’acier doux, 150 °C pour l’acier inoxydable ou le tantale, 200 °C pour l’argent et le cuivre. C’est un paramètre dont il convient de tenir compte dans les installations d’électrolyse mettant en œuvre à la fois du chlore et de l’hydrogène.
7.1.6 Particularité de l’hydrogène cryogénique
L’hydrogène cryogénique est stocké sous forme liquéfiée à -253 °C. À cette température, beaucoup de matériaux deviennent fragiles ou friables. La conception des installations doit donc en tenir compte. Par ailleurs, à cette température, la solidification de l’azote ou des gaz de l’air peut produire des colmatages de conduits et empêcher le fonctionnement d’organe ; la contamination de l’hydrogène liquide par l’oxygène ou l’air peut ainsi générer des explosions.