JTEC Energy renforce la confiance dans la conversion de la chaleur résiduelle en électricité grâce aux mesures d'humidité Vaisala
Alors que JTEC prépare le déploiement sur le terrain de sa technologie de conversion de la chaleur résiduelle en électricité fondée sur l'hydrogène, les capteurs Vaisala fournissent les mesures d'humidité et de point de rosée indispensables pour protéger les composants critiques, simplifier le contrôle et renforcer la confiance des clients.
JTEC Energy a développé une technologie novatrice qui convertit la chaleur résiduelle en énergie électrique avec une meilleure efficacité et à des températures plus basses que de nombreuses approches concurrentes de récupération de chaleur résiduelle. Son système utilise de l'hydrogène comme fluide de travail, associant une technologie de compression thermique à des piles électrochimiques qui convertissent la pression d'hydrogène en potentiel électrique.
Un contrôle strict de l'humidité est essentiel à ce procédé. La pile électrochimique nécessite de l'hydrogène humidifié pour que ses membranes fonctionnent de manière optimale, tandis que les réacteurs à hydrure métallique utilisés dans le sous-système de conversion de chaleur résiduelle doivent être protégés contre une exposition excessive à l'humidité. Pour gérer cet équilibre, JTEC a développé un système de gestion des gaz en boucle fermée qui extrait et fait recirculer plus de 99,99 % de l'humidité introduite dans le système.
Pour que ce système fonctionne de manière fiable, JTEC doit disposer de mesures d'humidité extrêmement précises dans des conditions allant d'une humidité élevée au niveau de la pile électrochimique à de très faibles points de rosée requis avant que l'hydrogène puisse être réintroduit en toute sécurité dans les réacteurs. Ces mesures critiques doivent également être effectuées à l'aide de capteurs industriels adaptés capables de fonctionner avec de l'hydrogène, de supporter des conditions dynamiques de pression et de débit, de s'intégrer aux systèmes de contrôle et de répondre aux exigences des zones dangereuses.
Protéger un système critique dans un environnement exigeant en hydrogène
Le système de conversion de la chaleur résiduelle en énergie de JTEC réunit deux sous-systèmes ayant des besoins différents en matière d'humidité : une pile électrochimique nécessitant de l'humidité pour fonctionner efficacement et des réacteurs à hydrure métallique devant être protégés contre l'excès d'humidité.
Dans le système de JTEC, la chaleur résiduelle arrive dans l'un des réacteurs à hydrure métallique du sous-système de conversion de la chaleur résiduelle. Les hydrures métalliques sont comparables à une éponge qui absorbe l'hydrogène. Lorsqu'ils sont refroidis, ils absorbent l'hydrogène. Lorsqu'ils sont réchauffés, ils libèrent de l'hydrogène à une pression liée à la température. Le système de JTEC utilise cette capacité à générer une pression d'hydrogène dans le cadre du processus de conversion de la chaleur résiduelle en énergie électrique.
Depuis les réacteurs à hydrure métallique, l'hydrogène sous haute pression est ensuite acheminé vers le module de pile, où son expansion à travers les piles électrochimiques innovantes de JTEC produit de l'énergie électrique. Après cette expansion, l'hydrogène à basse pression quitte la pile et peut être réabsorbé dans un réacteur à hydrure métallique distinct du module de conversion de la chaleur résiduelle, où il pourra ensuite être réchauffé, mis sous pression et utilisé à nouveau pour générer de l'énergie. Grâce à ce procédé, JTEC a développé une technologie de conversion de chaleur résiduelle en énergie qui fait circuler une seule charge d'hydrogène dans une boucle entièrement fermée : le système ne consomme pas d'hydrogène et la chaleur résiduelle est le seul « combustible » nécessaire au procédé de JTEC.
Lorsque l'hydrogène gazeux traverse les piles, il est humidifié afin de garantir que les membranes des piles fonctionnent à leur rendement optimal. Cependant, une exposition excessive à l'eau peut endommager les hydrures métalliques en favorisant la formation de couches d'oxyde qui limitent l'absorption de l'hydrogène et diminuent la performance du réacteur. Par conséquent, JTEC doit conserver assez d'humidité pour optimiser la performance de la pile, puis sécher le flux d'hydrogène avant qu'il n'atteigne les réacteurs.
« Fondamentalement, la mesure de l'humidité est cruciale pour JTEC, car nous avons deux parties de notre système qui fonctionnent très bien. Mais pour qu'elles fonctionnent bien ensemble, nous devons pouvoir contrôler très précisément l'humidité qui circule entre elles », a déclaré Julian Bell, Vice-président de l'ingénierie chez JTEC Energy.
Avant de standardiser ses instruments sur Vaisala, JTEC utilisait des capteurs classiques d'humidité relative et de point de rosée dans ses laboratoires et ses travaux de recherche et développement. Ces capteurs n’étaient pas toujours assez robustes pour cette application, surtout lorsqu’ils étaient exposés à des événements de condensation ou de saturation.
Dans les applications de R&D, une sonde d'humidité saturée pouvait obliger les ingénieurs à interrompre une expérience, à sécher les équipements, à nettoyer le système et à recommencer l'expérience. Dans un cas, un ingénieur a passé trois jours à essayer de terminer une expérience de six heures parce que le capteur s'est saturé en cours de test et le système a dû être réinitialisé.
Les risques liés à des mesures d'humidité inexactes ou peu fiables sont encore plus élevés dans un système de production, où le sous-système de conversion de la chaleur résiduelle peut représenter plus d'un tiers du coût total du système et fonctionne en continu pendant que celui-ci est en service. Une exposition excessive à l'humidité peut dégrader les performances du système de réacteurs et nécessiter une maintenance hors ligne pour restaurer le système, ajoutant des temps d'arrêt inacceptables à l'infrastructure de production d'énergie. 
« La vérité, c'est que nous n'avions pas trouvé de bons capteurs avant de nous tourner vers Vaisala », a déclaré Bell.
Vaisala, une référence pour la mesure de l'humidité et du point de rosée
JTEC a d'abord testé un capteur de point de rosée Vaisala lors d'un projet interne de R&D en 2023. À mesure que l'entreprise avançait vers son premier système de production et son pilote sur le terrain, Vaisala est devenue l'option privilégiée grâce à ses performances fiables à des points de rosée bas, sa stabilité d'étalonnage, sa disponibilité, sa flexibilité d'intégration et son assistance technique.
Dans l'architecture du système de production de JTEC, les capteurs Vaisala assurent la mesure de l'humidité en trois points critiques.
La première consiste en une mesure d'humidité élevée après la phase initiale du système de déshumidification. À ce moment-là, l'hydrogène a quitté la pile électrochimique et une grande partie de son humidité a déjà été extraite. JTEC utilise une sonde d'humidité relative et de température Vaisala HMP7 pour confirmer les performances du système et aider à éviter la condensation dans la conduite.
La deuxième est une mesure d'un point de rosée bas après les étapes finales de gestion de l'humidité. À ce stade, l'hydrogène doit être séché conformément aux spécifications avant de retourner dans les réacteurs à hydrure métallique. JTEC utilise un capteur Vaisala DMP370 homologué Ex à cet emplacement. En plus de la stabilité et de l'exactitude du DMP370, la collaboration avec Vaisala pour explorer une transition vers des capteurs certifiés pour les environnements dangereux a permis à JTEC de se préparer aux exigences futures des clients dans des applications industrielles exigeantes.
Le troisième point de mesure se trouve dans le collecteur de maintenance de JTEC, qui ajuste la pression des gaz dans différentes parties du système lors du démarrage, de l'arrêt et des opérations de maintenance. Un transmetteur de point de rosée Vaisala DMT143 sert à confirmer que l'humidité ne migre pas du côté humide du système vers les sections sèches qui alimentent des composants critiques en hydrogène.
La mise en œuvre a été simple. Les capteurs ont été installés dans le cadre de l'assemblage global du système et intégrés au système de contrôle de JTEC. Pour un procédé dynamique par lots où la pression, la température et le débit peuvent varier considérablement au cours d'un cycle, la performance des mesures, l'accessibilité des données et l'assistance technique étaient particulièrement importants.
« L'étalonnage automatique de Vaisala est une caractéristique clé qui améliore la confiance dans les valeurs transmises, ce qui a été un énorme avantage », a déclaré Bell. « Parallèlement, nous avons pu intégrer des routines de compensation de pression dans nos mesures du point de rosée grâce au soutien des ingénieurs de Vaisala, et cette expertise s'est pleinement exprimée. »
L'assistance Vaisala va au-delà de la sélection des produits. L’entreprise donne accès aux scientifiques de Vaisala titulaires d’un doctorat, experts mondiaux en métrologie de l'humidité. Toujours disponibles, ils aident l'équipe à évaluer la mesure de l'humidité dans l'hydrogène à différentes pressions et à des points de rosée bas.
Cela était particulièrement important, car la mesure de l'humidité dans l'hydrogène à des pressions sensiblement différentes des conditions atmosphériques n'est pas entièrement comprise par la communauté scientifique ou l'industrie. L'expertise technique de Vaisala a aidé JTEC à prendre des décisions éclairées sur la façon d'aborder la compensation de la pression et la fiabilité des mesures dans ces conditions.
« Vaisala nous a éclairés sur ce qui est établi, ce que nous pouvons affirmer avec certitude et là où notre confiance diminue », a déclaré Bell. « C'est grâce à la présence des experts Vaisala et à la volonté de les rendre accessibles aux clients, que nous avons pu prendre des décisions éclairées sur la manière de réaliser ces mesures. »
Fiabilité des mesures pour une mise en œuvre sur le terrain
Alors que JTEC prépare le déploiement de son premier système de production dans un projet pilote sur le terrain, la technologie de mesure de Vaisala donne à l'entreprise l'assurance de pouvoir surveiller l'humidité avec suffisamment de précision pour protéger les composants critiques des réacteurs. Par exemple, JTEC doit contrôler étroitement la teneur en humidité de l'hydrogène gazeux lors de son retour vers les réacteurs : l'exactitude, la répétabilité et la robustesse des mesures sont donc essentielles pour un déploiement sur le terrain.
« Je dois avoir une certitude maximale quant à mes mesures d'humidité pour être sûr de pouvoir exploiter un système de réacteur de cette ampleur lors d'un essai sur le terrain, et Vaisala me procure cette certitude », a déclaré Bell. « L'investissement dans le système de réacteurs est trop élevé pour justifier son fonctionnement si vous n'êtes pas à 100 pour cent certain de la teneur en humidité que vous réintroduisez dans les réacteurs. »
Les capteurs Vaisala aident JTEC à :
- Vérifier l'élimination efficace de l'humidité dans tout le système de gestion des gaz.
- Protéger les réacteurs à hydrure métallique contre l'exposition à l'humidité dommageable.
- Prendre des mesures fiables et précises de points de rosée très bas.
- Simplifier le contrôle grâce à des mesures stables et fiables.
- Soutenir les futures installations en zones dangereuses grâce à une mesure certifiée Ex.
- Utiliser une technologie de capteurs cohérente dans les environnements de R&D et de production.
Les transmetteurs Vaisala DMT143 sont désormais les capteurs de point de rosée standards dans les opérations de R&D de JTEC, et les DMT143, HMP7 et DMP370 sont des composants standards dans l'architecture du système de production de l'entreprise.
Pour les mesures à point de rosée bas, le Vaisala DMP370 offre un avantage de contrôle en fournissant des valeurs stables sans les interruptions d'étalonnage qui doivent être gérées dans certaines autres architectures de mesure.
« Lorsque nous décidons de passer d'une colonne de déshumidification à une autre, disposer en permanence d'une visibilité directe sur la teneur en humidité du gaz sortant nous simplifie encore plus le travail », a déclaré Bell.
Le partenariat technique de Vaisala a également influencé la manière dont JTEC évalue les fournisseurs de capteurs. Bell a déclaré que la mesure de l'humidité est l'un des rares domaines dans lesquels JTEC nomme spécifiquement le fournisseur de capteurs lorsqu'il discute du système avec des clients, des distributeurs et des partenaires techniques.
« Vaisala fournit l'un des trois capteurs les plus importants de notre système, le capteur d'humidité étant le plus important pour la longévité de notre système », a déclaré Bell. « C'est le seul domaine où nous sommes entièrement satisfaits et où nous ne cherchons pas de nouveaux capteurs. »
Permettre la prochaine étape de conversion de la chaleur résiduelle en électricité
Alors que JTEC passe du laboratoire au terrain, la mesure de l'humidité est essentielle pour démontrer la performance de son approche de gestion des gaz en boucle fermée. Les capteurs Vaisala assurent la visibilité en temps réel indispensable pour valider la performance, en mesurant à la fois les niveaux élevés d'humidité entrant dans le processus de gestion de l'humidité et les points de rosée bas à la sortie du système.
Cette visibilité aide JTEC à protéger le bon état des réacteurs, à simplifier le contrôle et à renforcer la confiance dans la capacité du système à fonctionner sur le terrain. À l'avenir, JTEC prévoit de continuer à utiliser les capteurs Vaisala à mesure que ses systèmes de production prennent de l'ampleur et que de nouveaux besoins de surveillance apparaissent.
En standardisant les instruments Vaisala, JTEC a posé les bases d'une mesure de l'humidité qui favorise le déploiement sur le terrain, la fiabilité du système et la croissance future. Dans une application où l'humidité peut déterminer le bon état du réacteur, la fiabilité du contrôle et la confiance des clients, une mesure précise constitue un facteur essentiel pour déployer sur le terrain une nouvelle technologie de conversion de la chaleur résiduelle en électricité.
