ISO/TR 15916:2004

RAPPORT ISO/TR
TECHNIQUE 15916
Première édition
2004-02-15
Considérations fondamentales pour la
sécurité des systèmes à l'hydrogène
Basic considerations for the safety of hydrogen systems

Numéro de référence
©
ISO 2004
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Version française parue en 2006
Publié en Suisse
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Sommaire Page
Avant-propos. iv
Introduction . v
1 Domaine d'application. 1
2 Références normatives. 1
3 Termes et définitions. 1
4 Aperçu des applications de la filière hydrogène.1
4.1 Infrastructure fondamentale pour les applications de la filière hydrogène . 1
4.2 Composants types des systèmes à hydrogène . 4
4.3 Carburant hydrogène . 6
4.4 Effets sur l'environnement. 6
5 Considérations relatives à la sécurité et liées à l'utilisation de l'hydrogène gazeux et
liquide . 6
5.1 Généralités. 6
5.2 Dangers potentiels compte tenu des propriétés de l'hydrogène . 7
5.3 Facteurs contribuant aux risques liés à la combustion . 8
5.4 Facteurs de risques liés à la pression. 10
5.5 Facteurs de risques liés à la température. 11
5.6 Facteurs de risques liés à la fragilisation par l'hydrogène . 11
5.7 Dangers pour la santé . 12
5.8 Sensibilisation des personnels et leur formation pour une utilisation sûre de l'hydrogène. 12
6 Propriétés fondamentales de l'hydrogène .13
6.1 Propriétés générales. 13
6.2 Certaines propriétés thermophysiques. 13
6.3 Caractéristiques fondamentales de combustion . 15
7 Mesures de réduction et de maîtrise des risques . 17
7.1 Mesures générales de réduction et de maîtrise du risque . 17
7.2 Mesures de réduction des risques dès le stade de la conception . 20
7.3 Mesures de réduction des risques d'inflammation et d'explosion. 25
7.4 Considérations relatives à la détection. 28
7.6 Considérations relatives au fonctionnement et à l'exploitation . 35
7.7 Règles pratiques recommandées aux organismes concernés. 40
Annexe A (informative) Propriétés de l'hydrogène. 42
Annexe B (informative) Données relatives à la combustion de l'hydrogène . 46
Annexe C (informative) Données relatives aux matériaux. 49
Annexe D (informative) Composés destinés au stockage de l'hydrogène. 54
Annexe E (informative) Termes et définitions . 55
Bibliographie . 69

Avant-propos
L'ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération mondiale d'organismes nationaux de
normalisation (comités membres de l'ISO). L'élaboration des Normes internationales est en général confiée
aux comités techniques de l'ISO. Chaque comité membre intéressé par une étude a le droit de faire partie du
comité technique créé à cet effet. Les organisations internationales, gouvernementales et non
gouvernementales, en liaison avec l'ISO participent également aux travaux. L'ISO collabore étroitement avec
la Commission électrotechnique internationale (CEI) en ce qui concerne la normalisation électrotechnique.
Les Normes internationales sont rédigées conformément aux règles données dans les Directives ISO/CEI,
Partie 2.
La tâche principale des comités techniques est d'élaborer les Normes internationales. Les projets de Normes
internationales adoptés par les comités techniques sont soumis aux comités membres pour vote. Leur
publication comme Normes internationales requiert l'approbation de 75 % au moins des comités membres
votants.
Exceptionnellement, lorsqu'un comité technique a réuni des données de nature différente de celles qui sont
normalement publiées comme Normes internationales (ceci pouvant comprendre des informations sur l'état
de la technique par exemple), il peut décider, à la majorité simple de ses membres, de publier un Rapport
technique. Les Rapports techniques sont de nature purement informative et ne doivent pas nécessairement
être révisés avant que les données fournies ne soient plus jugées valables ou utiles.
L'attention est appelée sur le fait que certains des éléments du présent document peuvent faire l'objet de
droits de propriété intellectuelle ou de droits analogues. L'ISO ne saurait être tenue pour responsable de ne
pas avoir identifié de tels droits de propriété et averti de leur existence.
L'ISO/TR 15916 a été élaboré par le comité technique ISO/TC 197, Technologies de l'hydrogène.
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Introduction
Le grand public n'est généralement pas familiarisé avec les applications industrielles des systèmes à
hydrogène et ne dispose d'aucune expérience des nouveaux systèmes à hydrogène actuellement en cours de
développement. Le présent Rapport technique s'intéresse plus particulièrement aux nouvelles applications de
l’hydrogène dans le domaine de l'énergie. Il se propose de fournir des éléments de base qui permettent aux
non-initiés au domaine technologique de saisir les questions de sécurité. Le présent document traite des
applications dont l'intérêt repose sur les réactions chimiques de l'hydrogène et ne s'applique pas à celles
fondées sur des procédés nucléaires.
Traditionnellement, l'hydrogène a été utilisé de manière intensive dans les industries pétrochimiques et
chimiques et, dans une moindre mesure, dans les domaines de l'électronique, de la production de l'acier et de
la verrerie ainsi que dans les industries d'hydrogénation des aliments. Dans le domaine de l'énergie, la seule
application significative de l'hydrogène a été dans les programmes spatiaux. Mais cette situation est sur le
point de changer dans la mesure où l'hydrogène semble plein de promesses en tant que vecteur énergétique
efficace et combustible dont l'impact sur l'environnement est minime. Des systèmes de production
d'hydrogène à partir de sources d'énergie primaire, comme le rayonnement solaire, l'énergie éolienne, la
biomasse, les hydrocombustibles et les combustibles fossiles, sont en cours de développement pour une
utilisation dans des applications énergétiques dans les domaines du chauffage domestique et des bureaux,
de la production d'électricité et du transport.
L'utilisation sans risque de l'hydrogène en tant que combustible constitue un objectif primordial de l'ISO dans
la mesure où cette organisation cherche à faciliter l'émergence rapide de ces technologies de l'hydrogène. Un
élément clé de l'utilisation de l'hydrogène en toute sécurité réside dans la prise de conscience de ses
propriétés particulières liées à la sécurité et de l'existence de méthodes scientifiques acceptables permettant
de maîtriser les risques associés à l'utilisation de l'hydrogène. Le présent Rapport technique décrit les
phénomènes dangereux associés à l'utilisation et à la présence d'hydrogène, examine les propriétés de
l'hydrogène liées à la sécurité et soulève un débat général sur les méthodes adoptées pour la réduction des
risques associés à l'utilisation de l'hydrogène. Le but du présent Rapport technique est de favoriser
l'acceptation des technologies de l'hydrogène en mettant à la disposition des autorités de réglementation et
de contrôle des éléments d'information privilégiés et en sensibilisant le grand public aux questions de sécurité
liées à l'utilisation de l'hydrogène.
L’élaboration de Normes internationales répondait à l'un des besoins identifiés dans le plan d'activités de
l'ISO/TC 197. En effet, la publication de normes spécifiques traitant de l'hydrogène et permettant une mise en
œuvre précoce favorisant l'évolution rapide de technologies émergentes permet d’éliminer les obstacles au
commerce international et de simplifier le processus de réglementation déjà complexe. Le présent Rapport
technique est l'un des nombreux documents élaborés ou en cours d'élaboration par l'ISO pour répondre aux
besoins énumérés dans le plan d'activités de l'ISO/TC 197. Les détails des exigences de sécurité associées
aux applications de la filière hydrogène font l'objet de Normes internationales distinctes. Le présent Rapport
technique fournit une base informative de référence à ces normes spécifiques et constitue une source
commune et cohérente d'informations sur les problèmes de sécurité associés à l'hydrogène. Il convient que
ce rapport permette de réduire les redondances et les incohérences éventuelles dans lesdites normes
spécifiques.
Les considérations examinées dans le présent Rapport technique sont d'ordre général et cherchent à couvrir
l'ensemble des aspects liés à la sécurité dans le domaine de l'hydrogène. Le degré de mise en œuvre de ces
principes généraux dépendra des modes d'application spécifiques (tels que les conditions d'utilisation et les
quantités d'hydrogène impliquées et le mode d'utilisation de l'hydrogène). Dans le cadre de leurs activités, les
industries utilisatrices peuvent tirer profit d'une grande partie des principes généraux énoncés dans le présent
document. Le grand public ne sera probablement pas tenu de disposer de ce niveau de connaissances pour
la mise en œuvre en toute sécurité d'un système à hydrogène. Pour les appareils d'usage commun
actuellement, il est d'ores et déjà certain qu'une bonne conception combinée à une installation réalisée avec
soin et dans les règles de l'art permettra de réduire les risques à des niveaux jugés acceptables par le public.
Les fabricants des appareils et systèmes à hydrogène seront amenés à tenir compte de ces principes
généraux afin d'élaborer et d'adapter des éléments d'information spécifiques et suffisants en vue de la mise
en œuvre de leurs appareils dans leur environnement d’utilisation où ils doivent être utilisés et pour les
utilisateurs auxquels ils sont destinés. Les lecteurs sont encouragés à garder ces points présents à l'esprit en
prenant connaissance des informations que leur livre le présent document. L'hydrogène a fait l'objet d'une
utilisation en toute sécurité dans de nombreuses applications diverses et depuis plusieurs années. L'adhésion
aux principes énoncés dans le présent Rapport technique peut contribuer à poursuivre les succès enregistrés
dans le domaine de l'utilisation de l'hydrogène.

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RAPPORT TECHNIQUE ISO/TR 15916:2004(F)

Considérations fondamentales pour la sécurité des systèmes à
l'hydrogène
1 Domaine d'application
Le présent Rapport technique présente des lignes directrices relatives à l'utilisation de l'hydrogène en phases
gazeuse et liquide. Il identifie les questions fondamentales liées à la sécurité et aux risques, et décrit les
propriétés significatives de l'hydrogène eu égard à la sécurité. Les détails des prescriptions de sécurité
associées aux applications de la filière hydrogène sont traités dans des Normes internationales distinctes.
2 Références normatives
Les documents de référence suivants sont indispensables pour l'application du présent document. Pour les
références datées, seule l'édition citée s'applique. Pour les références non datées, la dernière édition du
document de référence s'applique (y compris les éventuels amendements).
ISO 11114–4:2005, Bouteilles à gaz transportables — Compatibilité des matériaux des bouteilles et des
robinets avec les contenus gazeux — Partie 4: Méthodes d'essai pour le choix de matériaux métalliques
résistants à la fragilisation par l'hydrogène
ISO 14687:1999, Carburant hydrogène — Spécification de produit, et le Rectificatif technique 1:2001
3 Termes et définitions
Pour les besoins du présent document, les termes et définitions donnés dans l'Annexe E s'appliquent.
4 Aperçu des applications de la filière hydrogène
4.1 Infrastructure fondamentale pour les applications de la filière hydrogène
4.1.1 Catégories d'infrastructure
Théoriquement, l'objet des applications de la filière hydrogène peut être classé en catégories relevant
a) de la production,
b) du stockage et du transport, et
c) de l'utilisation de l'hydrogène.
Certaines applications peuvent impliquer l'ensemble des trois catégories.
4.1.2 Production
Le principal moyen de production en vrac de l'hydrogène met en œuvre actuellement des procédés chimiques
tels que le reformage à la vapeur du gaz naturel, la production d’hydrogène par réaction de métaux avec des
acides et l'électrolyse de l'eau. À l'avenir, des procédés photochimiques et des plantes sélectionnées
génétiquement peuvent également constituer des moyens pratiques de production d'hydrogène.
Divers moyens de production d'hydrogène sont mis en œuvre pour des applications particulières. Par
exemple certaines applications cherchent à réduire au minimum le stockage ou les risques en fournissant à la
demande de l'hydrogène (ou de l'oxygène avec de l'hydrogène sous forme de sous-produit). Plusieurs
technologies d'électrolyse sont en cours de développement à cet effet. Les électrolyseurs sont capables de
fournir une qualité d’hydrogène et d’oxygène ultra pure dont ont besoin les activités de recherche.
4.1.3 Stockage et transport
4.1.3.1 Généralités
L'hydrogène dont les sites de production et d'utilisation sont différents et éloignés doit être mis en œuvre de
manière à pouvoir facilement être stocké et transporté jusqu'au lieu de consommation. Par rapport aux
combustibles conventionnels, la faible masse volumique de l'hydrogène dans des conditions ambiantes et sa
basse température d'ébullition rendent difficile le stockage de quantités suffisantes correspondant aux besoins
dans les secteurs d'application types. Les méthodes éprouvées destinées à l'augmentation de la densité de
stockage de l'hydrogène supposent la manipulation de l'hydrogène sous forme de gaz comprimé ou en phase
liquide et réfrigéré, avant de procéder ensuite à son transport et à sa livraison par route, par voie d'eau ou par
hydrogénoduc. Le transport de l'hydrogène par voie commerciale aérienne n'est autorisé qu'en très faibles
quantités. Les hydrogénoducs ne sont utilisés que dans les milieux et sites industriels. Dans le passé,
l'hydrogène était utilisé à large échelle en tant que composant du «gaz de ville» destiné à l'éclairage des rues.
Actuellement, la distribution de l'hydrogène ne s'effectue généralement plus par l'intermédiaire de
canalisations pour les applications publiques et commerciales. Mais une utilisation plus généralisée de
l'hydrogène peut contribuer à changer cette situation.
4.1.3.2 Stockage et transport en phase gazeuse
Lorsqu'il s'agit de quantités d'hydrogène réduites à moyennes, l'hydrogène gazeux est comprimé et stocké
dans des réservoirs sous haute pression. Les réservoirs conventionnels en aluminium et en acier sont
1)
couramment utilisés pour le stockage de l'hydrogène à des pressions maximales de 40 MPa . Des
remorques porte-tubes, conçues pour le service routier, assurent le transport de volumes qui varient
de 300 000 litres à 500 000 litres.
4.1.3.3 Stockage et transport en phase liquide
Une autre méthode de stockage de l'hydrogène passe par la condensation de l'hydrogène et son passage à
l’état liquide ou à l'état semi-solide (hydrogène solide et liquide mélangé). Ce procédé nécessite la
réfrigération de l'hydrogène à des cryotempératures (autour de 20 K) afin d'atteindre l’état liquide, et à
moins 14 K pour obtenir de l'hydrogène à l'état semi-solide. Jusqu'à présent, l'hydrogène semi-solide n'a été
utilisé que dans le domaine aérospatial comme propergol et l'économie de la production ne milite pas en
faveur de son utilisation à large échelle. Le stockage de l'hydrogène à des cryotempératures requiert de
réduire au minimum l'exposition de ce fluide aux conditions de chaleur ambiantes afin d'éviter des pertes
excessives d'hydrogène. La meilleure isolation thermique est assurée par un réservoir à double enveloppe à
vide isolant selon un principe assimilé à celui de la bouteille thermos isolante. Aucune isolation n'étant parfaite

1) Tout au long du présent Rapport technique, il est fait souvent référence à des pressions exprimées en kilopascals
(kPa) et mégapascals (MPa), ainsi qu'à des températures exprimées en kelvins (K), avec des valeurs pouvant paraître
insolites. Afin d'aider les lecteurs à se situer par rapport aux valeurs exprimées dans ces unités, le présent document fait
mention de valeurs connues de tous. La pression atmosphérique au niveau de la mer est de à 101,3 kPa ou 0,1 MPa (soit
une pression absolue de 14,7 livres par inch carré), et la température de congélation de l'eau est de 273,15 K (0 °C
ou 32 °F).
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et sans captage et reliquéfaction, on ne peut qu'accepter les pertes lentes d'hydrogène dans l'atmosphère, à
moins que le débit d'utilisation soit supérieur au débit d'évaporation ou que soit mis en place un système de
gestion des évaporats. Le transport de l'hydrogène liquide est réalisé dans des citernes à double enveloppe à
vide isolant par camion, sur rail ou par bateau-citerne, et il doit être alors transvasé dans des récipients de
stockage cryogénique à double enveloppe à vide isolant à la livraison aux sites d'utilisation. Des systèmes de
stockage d'une capacité de 3 700 000 litres sont mis en œuvre dans les applications aérospatiales.
Cependant, le stockage de l'hydrogène liquide à des cryotempératures ne peut pas se prolonger indéfiniment
à moins d'en maintenir la réfrigération, solution non économique pour la plupart des applications. L'hydrogène
liquide est soit utilisé, soit il finit par se perdre dans l'environnement.
4.1.3.4 Autres formes de stockage
Les composés chimiques riches en liaisons hydrogènes, les mélanges d'hydrogène et d'autres combustibles,
les hydrures et les matériaux à haute adsorption superficielle d'hydrogène peuvent trouver des applications
dans les systèmes de stockage de l'hydrogène (voir Annexe D). Un dispositif appelé reformeur peut être
utilisé pour obtenir de l'hydrogène à partir d'un composé de stockage. Lorsque ces systèmes mettent en
œuvre d'autres produits chimiques que l'hydrogène, il convient d'appliquer des mesures de sécurité spéciales
et spécifiques aux matériaux, outre celles applicables à l'hydrogène. Ces aspects ne s'inscrivent pas dans le
cadre du présent Rapport technique.
4.1.3.5 Systèmes de stockage pour véhicules
Les quantités d'hydrogène et le poids des enceintes de confinement destinées aux systèmes de stockage des
gaz sous haute pression ou à des cryotempératures constituent des défis en termes de conception des
réservoirs de stockage de combustibles pour véhicules. Pour réduire le volume et le poids des réservoirs de
carburant proposés pour les véhicules à hydrogène, des matériaux composites légers sont en cours de
développement. Actuellement, des pressions de confinement de 35 MPa sont en cours d'utilisation sur les
véhicules équipés de piles à combustible. Des technologies permettant d'atteindre des pressions de
confinement plus élevées allant jusqu'à 70 MPa et mettant en œuvre des composites sont en cours de
développement.
4.1.4 Applications faisant appel à l'hydrogène
L’hydrogène, vecteur d’énergie, est utilisé dans les piles à combustible, les moteurs à combustion interne, les
turbines, les propulseurs de fusée et dans tous les domaines mettant en œuvre ces composants.
Dans ce domaine de l'énergie, une variété d'applications commerciales fondées sur les électrolyseurs et les
systèmes à piles à combustible utilisant l'hydrogène verra bientôt le jour. Elle s'étend des petits systèmes
portables destinés à remplacer les batteries, telles les piles «D», aux systèmes de 1 kW, 10 kW et davantage
conçus pour des réseaux de distribution de l'énergie à longue distance ou décentralisés nécessaires à
l'alimentation électrique domestique et des villages éloignés et isolés ou encore pour augmenter la capacité
du réseau électrique. Les systèmes portables s'appuient généralement sur une source d'alimentation à
l'hydrogène remplaçable ou rechargeable. Des systèmes plus importants sont prévus dans le cadre de
sources d'énergie intégrées et renouvelables, telles que les systèmes d'énergie éolienne ou photovoltaïques.
Ces derniers systèmes sont à la fois producteurs et consommateurs d'hydrogène dans la mesure où ils
convertissent l'électricité en hydrogène et stockent l'énergie avant de la reconvertir ensuite en électricité,
selon les besoins. À cet effet, un électrolyseur convertit de l'énergie renouvelable en hydrogène. Ensuite,
l'hydrogène est mis en œuvre pour les besoins de stockage et utilisé en association avec une pile à
combustible ou avec une unité de cogénération pour produire de l'électricité à la demande. De tels systèmes
peuvent être en outre intégrés pour le captage de la chaleur perdue en vue de son utilisation pour le
chauffage ou dans l'industrie. Ces applications mettent en jeu un composant qui accomplit la fonction primaire
et des composants chargés d'assurer le contrôle, la sûreté, l'alimentation et le stockage de l'hydrogène, ou de
soutenir la fonction primaire.
4.2 Composants types des systèmes à hydrogène
4.2.1 Généralités
Un système générique à hydrogène comporte des composants primaires et auxiliaires qui font partie
intégrante des dispositifs de sécurité de l'hydrogène. À titre d'exemple, les propulseurs de fusée destinés aux
applications aérospatiales, les empilages de cellules utilisés dans le cadre des piles à combustible conçues
pour des applications énergétiques, les moteurs à combustion interne employés dans le domaine des
transports et les convertisseurs catalytiques des fourneaux de cuisine à usage domestique sont des
composants qui assurent des fonctions primaires.
Quant aux composants auxiliaires qui assurent un soutien essentiel des fonctions primaires, ils peuvent
disposer en totalité ou en partie des éléments suivants:
a) un moyen de stockage d'hydrogène ou une source d'alimentation en hydrogène, et un moyen de
stockage de comburant ou une source d'alimentation en comburant;
b) des canalisations de distribution de fluide pour faire parvenir l'hydrogène et le comburant au système
réactionnel;
c) des dispositifs régulateurs du débit;
d) des systèmes de protection contre les surpressions intégrés aux composants a), b) et c) dès le stade de
la conception;
e) des détecteurs.
4.2.2 Capacités de stockage
Il convient que la conception et la fonction des capacités de stockage et de leurs composants reflètent le type
d'exploitation envisagée, par exemple les réservoirs de gaz à haute pression ou ceux destinés aux liquides
maintenus à des cryotempératures. Des volumes supérieurs à 7 500 litres, dans des conditions normales,
sont stockés généralement à l'air libre ou dans des enceintes spécialement conçues à cet effet. Il convient
que la fabrication de ces capacités réponde aux prescriptions des codes nationaux spécifiques aux récipients
sous pression. Les capacités de stockage de l'hydrogène à des cryotempératures mettent en œuvre des
éléments d'isolation ou des enveloppes à vide isolant. Il est nécessaire de maintenir le vide à l'aide de
pompes à vide.
4.2.3 Canalisations de distribution du fluide, tuyauterie, raccords et joints d'étanchéité
Il est nécessaire que les tuyauteries et les joints d'étanchéité soient adaptés au système à hydrogène pendant
toute sa durée de vie. Des canalisations en acier inoxydable sont généralement utilisées. L'hydrogène passe
par perméation à travers la majeure partie des matériaux et chaque petite brèche dans le système se traduit
facilement par des fuites d'hydrogène. Ainsi, il est préférable d'utiliser des assemblages soudés là où toute
fuite est interdite. S'il est nécessaire d'ouvrir périodiquement un raccord ou un joint, l’usage de certains types
de détecteurs d'hydrogène ou de détecteurs de flammes est souhaitable, lorsqu'une perméation ou fuite
pourrait conduire à l’accumulation d'un mélange inflammable.
4.2.4 Dispositifs régulateurs de débit
Des composants divers sont utilisés pour la régulation du flux d'hydrogène à l'intérieur du système. Les
vannes, clapets antiretours et régulateurs constituent les composants mécaniques les plus communément
utilisés. Ils peuvent être à commande manuelle ou à distance et mettent en œuvre des actionneurs
électriques ou pneumatiques. Les actionneurs doivent être spécialement conçus à cet effet de manière à ne
pas constituer une source d'inflammation de l'hydrogène libéré. Les clapets antiretours sont destinés à
empêcher un reflux indésirable. Les régulateurs permettent le contrôle de la pression à l'intérieur d'un circuit.
Les dispositifs de régulation font appel à des capteurs associés au fluide, tels que les manomètres,
débitmètres, indicateurs de niveau de liquide, ainsi qu'à d'autres systèmes de contrôle et de commande.
4 © ISO 2004 – Tous droits réservés

4.2.5 Dispositifs de protection contre les surpressions
Il convient que les récipients et les tuyauteries qui confinent effectivement ou risquent éventuellement de
confiner l'hydrogène soient protégés contre les surpressions par l'intermédiaire d'un dispositif de protection
contre les surpressions. Pour donner un exemple de situations qui peuvent conduire à une surpression dans
un système à hydrogène, citons le cas d'un incendie ou d'une défaillance d'un régulateur à l'origine d'un
passage d'hydrogène haute pression dans un compartiment basse pression. Le système de protection contre
les surpressions intègre généralement des soupapes de décharge et des disques de rupture qui déchargent
l’hydrogène pressurisé vers une ligne d’évent. Une soupape de décharge est constituée d’un clapet maintenu
fermé à l’aide d’un ressort qui s’ouvre dès que la pression de tarage de la soupape est dépassée. Un disque
de rupture est un dispositif similaire sauf que la décharge de l’hydrogène requiert le déchirement d'une
membrane sensible à la pression. Ce dispositif est généralement mis en œuvre en parallèle avec la soupape
de décharge, qu’il complète au titre de dispositif à sécurité intrinsèque contre les surpressions. Après
déchirement de la membrane, le disque de rupture doit être remplacé. Même l'espace sous vide, au niveau
des canalisations à double enveloppe à vide isolant d'un système cryogénique, doit faire l'objet d'une
protection contre les défaillances susceptibles de conduire à l’entrée d’hydrogène sous forte pression.
4.2.6 Détecteurs
À l'extérieur du système à hydrogène, le système de contrôle et de commande peut surveiller et détecter la
présence d'hydrogène à l'état gazeux ou d'une flamme d'hydrogène. Diverses technologies permettent la
détection du gaz hydrogène. Les détecteurs d'hydrogène sont généralement installés au-dessus d'un point de
fuite redouté où l’hydrogène pourrait s’accumuler, ainsi qu'au niveau de l’entrée des conduites de ventilation.
Des caméras à infrarouge (IR) peuvent détecter la présence de chaleur et offrent un champ de vision étendu.
Les détecteurs de rayonnement ultra-violet (UV) servent tout particulièrement à détecter la présence de
flamme d'hydrogène, mais cela exige un réglage minutieux de l'axe optique du champ de vision des
détecteurs dans la mesure où la lumière solaire ou des activités de soudage peuvent provoquer le
déclenchement intempestif de ces détecteurs.
4.2.7 Autres composants
Les systèmes à hydrogène peuvent mettre en œuvre des convertisseurs catalytiques et des «sorbeurs»
destinés à éliminer l'hydrogène indésirable ou en excès. Des filtres peuvent être installés pour éliminer les
impuretés de l'hydrogène provenant du système lui-même ou de ses auxiliaires. Par exemple les empilages
de membranes échangeuses de protons (MEP) utilisés lors des opérations d'électrolyse et dans les piles à
combustible nécessitent l'emploi d'eau pure préalablement filtrée et déminéralisée avec soin. Les systèmes à
hydrogène peuvent nécessiter l'utilisation d'échangeurs thermiques, de refroidisseurs et de radiateurs.
4.2.8 Considérations relatives aux conditions extérieures au système
Les éléments inhérents à toute conception de systèmes à hydrogène sont
a) les aspects liés aux conditions de fonctionnement et d'exploitation du système,
b) le fonctionnement à sécurité intégrée qui se justifie par les modes de défaillances attendus, et
c) les considérations à long terme qui couvrent la durée de vie du système en service.
Par exemple il faut que les systèmes fixes à hydrogène soient installés conformément aux exigences
spécifiques déterminées par des règles nationales de sécurité. Ces règles identifient les exigences de
construction et de choix des matériaux pour les structures, compte tenu du volume d'hydrogène, de son état
physique (gazeux ou liquide) et du lieu de stockage souhaité. Il convient que la conception des systèmes à
hydrogène prévoie à l'avance toutes les circonstances possibles d'occurrence des défaillances pendant leur
durée de vie en service et de placer le système en état de sécurité quel que soit le mode raisonnable de
défaillance.
4.3 Carburant hydrogène
Le carburant hydrogène contient des impuretés introduites par le procédé de fabrication ou introduites
pendant le stockage et lors de la manipulation après la phase de production. La quantité et le type
d'impuretés peuvent être préjudiciables aux systèmes consommateurs d'hydrogène; ainsi, l'ISO 14687:1999 a
été publiée pour spécifier les caractéristiques de qualité du carburant hydrogène, afin de garantir l'uniformité
du carburant hydrogène produit pour les véhicules, les appareils ménagers ou d'autres applications en
stations-service ou en ravitaillement. Cette spécification classe le carburant hydrogène en trois types, I, II et III,
correspondant respectivement à l'hydrogène gazeux, liquide et semi-solide. Le type I est lui-même divisé en
catégories A, B et C selon l'ordre de croissance des degrés de pureté. Plus les impuretés sont réduites, plus
les coûts de stockage et de manipulation augmentent. L'ISO 14687:1999 spécifie les niveaux d'impuretés
pour l'eau (H O), les hydrocarbures totaux (HT), l'oxygène (O ), l'argon (Ar), l'azote (N ), l'hélium (He), le
2 2 2
dioxyde de carbone (CO ), le monoxyde de carbone (CO), le mercure (Hg), le soufre (S), ainsi que pour les
particules présentes en permanence.
4.4 Effets sur l'environnement
L'impact sur l'environnement dû à l'utilisation des systèmes à hydrogène semble minime. À de rares
exceptions, l'eau pure constitue le seul produit réactionnel. Les systèmes aérobies brûlant l'hydrogène à
hautes températures constituent une exception et peuvent produire des oxydes d'azote (NO ). Les piles à
x
combustible MEP et les électrolyseurs ne produisent que de l'eau, et certains systèmes combinant un
électrolyseur et une pile à combustible peuvent récupérer la plus grande partie de l'eau produite pour une
réutilisation ultérieure. La formation d'eau à partir des réactions hydrogène-oxygène est bien connue des
observateurs extérieurs des lancements des navettes spatiales de la NASA, qui ont constaté, dans des
conditions de vent favorables, de la pluie par grand ciel bleu. À brève ou longue échéance, en supposant que
les véhicules à hydrogène deviennent le moyen de transport le plus répandu, soit les zones d'utilisation
massive de ces véhicules, telles que les villes, connaîtront une augmentation de l’humidité atmosphérique,
soit il sera nécessaire de prévoir que les véhicules à hydrogène condensent et capturent leurs émissions
d’eau. L'élimination des polluants (tels que le CO, CO et NO ), émis sous forme de sous-produits de la
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réaction, est l'un des avantages essentiels de l'utilisation des systèmes à hydrogène.
5 Considérations relatives à la sécurité et liées à l'utilisation de l'hydrogène gazeux
et liquide
5.1 Généralités
Les propriétés singulières de l'hydrogène, qui en font un vecteur énergétique ou un combustible précieux,
méritent une conception et une mise en œuvre judicieuse des systèmes à hydrogène afin d'éviter que ceux-ci
n'induisent accidentellement des phénomènes dangereux.
Le comportement de l'hydrogène, combiné aux spécificités d'un système à hydrogène, détermine la nature
des risques auxquels peuvent être confrontés les opérateurs. Par exemple selon que le système fonctionne
avec de l'hydrogène haute pression ou cryogénique, cela définit la nature des dangers potentiels.
Les principaux phénomènes dangereux et interrogations associés aux systèmes à hydrogène peuvent être
classés par ordre d'importance de la manière suivante:
a) combustion;
b) pression;
c) basse température;
d) fragilisation par l'hydrogène;
e) exposition.
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La liste ci-dessus souligne les points qu'il convient d'examiner et d'étudier avec attention en matière de
conception et de fonctionnement des systèmes à hydrogène. L'exposition a été classée en dernière position
dans la mesure où les conséquences que peut avoir chacun des quatre premiers phénomènes dangereux
cités dans la liste sont de loin plus graves que celles dues à l'exposition. Il est à signaler que cette liste ne
mentionne pas les phénomènes dangereux spécifiques à un système ou ne tient pas compte de la possibilité
d'interaction entre les différents éléments cités dans la liste pour constituer un danger de dimension globale. Il
convient d'envisager les phénomènes dangereux et les questions afférentes lors de l'évaluation des risques
liés à l’utilisation d’hydrogène.
En effet, l'exploitation et le fonctionnement des systèmes à hydrogène peuvent mobiliser un grand nombre de
personnes, et il convient que l'effort à déployer s'inscrive dans le cadre d'un effort commun de toute une
équipe. Il y a lieu que chaque personne impliquée au niveau de l'utilisation de l'hydrogène soit bien au fait des
propriétés de l'hydrogène liées à la sécurité et des phénomènes dangereux associés à ces caractéristiques.
5.2 Dangers potentiels compte tenu des propriétés de l'hydrogène
5.2.1 Généralités
Une discussion portant sur la correspondance entre les propriétés de l'hydrogène et les phénomènes
dangereux potentiels qui leur sont associés permet d'avoir un aperçu des problèmes de sécurité. Alors que
les préoccupations, en matière de phénomènes dangereux liés à la combustion, sont communes à tous les
systèmes à hydrogène, les conditions d'apparition de ces phénomènes dangereux varient selon que
l'hydrogène est utilisé sous forme liquide ou gazeuse.
En termes de sécurité générale, certaines propriétés de l'hydrogène à l'état gazeux et liquide sont abordées
ci-après. Des informations complémentaires sur les propriétés de l'hydrogène gazeux et liquide liées à la
sécurité en général sont résumées dans l’Article 6, et l'Annexe A produit des tableaux mentionnant des
propriétés usuelles.
5.2.2 Hydrogène gazeux
L'hydrogène sous forme gazeuse ne présente ni couleur ni odeur caractéristique. De tous les gaz, la molécule
d'hydrogène est la plus petite et la plus légère. Par conséquent, l'hydrogène gazeux traverse facilement par
perméation les matériaux, passe à travers les interstices les plus fins, se diffuse plus rapidement dans l’air
ambiant et présente une plus grande flottabilité que les autres gaz. Ces caractéristiques font que l'hydrogène
libéré monte et se diffuse rapidement; cependant, en milieu confiné, il peut s'accumuler aux points les plus
élevés.
Les fuites étant une préoccupation permanente, les récipients et circuits de tuyauteries d'hydrogène exigent
l'installation de dispositifs d'étanchéité. En outre, les fuites d'hydrogène sont difficiles à déceler à l'oreille seule
dans la mesure où elles n'émettent aucun bruit audible. Il a été prouvé que l'hydrogène peut traverser
lentement et par perméation les matériaux en milieu confiné. La vitesse de perméation varie en fonction des
différents types de matériaux. Pour les métaux tels que l'acier et à température ambiante, cette vitesse est
extrêmement faible et des quantités insignifiantes mettent longtemps à se diffuser ainsi. Il convient d'observer
une certaine prudence lorsqu'il s'agit de polymères, lesquels autorisent une perméation plus importante et des
quantités significatives d'hydrogène peuvent donc ainsi s'accumuler, lorsque le flux d'hydrogène pénètre dans
un espace réduit non aéré. L'hydrogène gazeux dissous dans un liquide peut passer par perméation à travers
les matériaux de fabrication de récipients contigus.
En raison de sa faible masse volumique dans les conditions ambiantes, le stockage et le transport de
l'hydrogène gazeux s'effectuent généralement à des pressions élevées.
5.2.3 Hydrogène liquide
L'hydrogène liquide est pâle d'apparence avec une teinte légèrement bleuâtre. Sa température d'ébullition est
extrêmement basse et il présente une faible masse volumique, une faible capacité calorifique et un coefficient
élevé de dilatation volumique (cubique), lorsqu'il est porté à une température de gazéification.
L'hydrogène liquide, compte tenu de sa basse température d'ébullition qui se situe à 20,3 K, bout ou
s'évapore instantanément lorsqu'il est exposé à ou déversé dans un environnement à température
ambiante (300 K). L'échauffement de l'hydrogène liquide et sa transformation en gaz à température ambiante
peuvent générer des pressions élevées dans un milieu confiné.
En outre, en cas d'exposition à l'hydrogène liquide, la basse température de celui-ci provoque la condensation
et la solidification de tous les gaz, à l'exception de l'hélium. Des fuites d'air, d'azote ou d'autres gaz à travers
les dispositifs d'étanchéité des vannes peuvent être à l'origine de plusieurs phénomènes dangereux, en cas
d'exposition directe à l'hydrogène liquide. Les gaz solidifiés peuvent boucher les canalisations et les orifices et
bloquer les vannes. La réduction en volume des gaz qui se sont condensés peut créer un vide susceptible de
causer l'afflux de davantage de gaz selon un processus dit de cryopompage. En cas de fuite persistante et
prolongée, des quantités importantes de produits peuvent s’accumuler et prendre la place de l’hydrogène
liquide. À un certain point, et en cas de réchauffement du système pour raison de maintenance, ces produits
solidifiés se transforment de nouveau en gaz, en générant éventuellement des pressions élevées ou des
mélanges inflammables.
À l'extérieur du système à hydrogène liquide, une condensation des gaz, comme l'air, et leur transformation
en solides et en liquides, peuvent se produire sur les surfaces externes des canalisations et capacités non
isolées et contenant de l'hydrogène liquide. Le condensat liquide s'écoule à la manière de l'eau à l'état liquide.
Et si jamais l'oxygène contenu dans l'air liquéfié entrait en contact avec des matières inflammables, un
incendie ou une explosion pourrait se déclencher.
5.3 Facteurs contribuant aux risques liés à la combustion
5.3.1 Considérations relatives à la combustion
Le principal risque que présentent les systèmes à hydrogène réside dans la combustion non maîtrisée de
l'hydrogène qui s'échappe accidentellement. Ceci est d'
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