Hydrex - Injection de dihydrogène en substitution partielle du gaz naturel dans un four de verre borosilicate

La transition écologique et la préservation du climat imposent l’étude de solutions bas-carbone, applicables concrètement à l’industrie. L’industrie verrière est très consommatrice de gaz naturel pour la fusion du verre : la France est le second pays verrier européen avec une production de plus de 5 Mt par an et 43 sites d’une capacité de plus de 20 t/j. Le secteur est soumis à la directive ETS et ses émissions directes représentaient en 2015 environ 2,7 Mt de CO2/an.

Le site industriel d’International Cookware produit du verre borosilicate sous la marque PYREX® et consomme annuellement environ 6 millions Nm3 de gaz naturel dont 50 % pour le four verrier. L’émission annuelle de CO2 représente 12 800 tonnes au scope 1, dont environ 50 % pour le four verrier. Depuis plus de 25 ans, nous cherchons à réduire l’empreinte environnementale du four : nous avons déjà hybridé notre four en utilisant l’électricité à hauteur d’environ 50 %, et nous utilisons des brûleurs à combustion oxygène + gaz naturel. La prochaine étape pourrait consister à substituer l’hydrogène au Gaz Naturel afin de réduire encore les émissions de CO2. 

• Etudier l’adéquation des brûleurs utilisés sur notre four et les optimisations à apporter pour supporter un mix H2 + gaz naturel sans dégrader ni la transmission thermique vers le verre borosilicate, ni la durée de vie des brûleurs.
• Etudier l’impact de l’utilisation de l’hydrogène sur la fusion du verre, notamment à travers la modification de la chimie des fumées de combustion.
• Etudier son impact sur les propriétés physico-chimiques du verre borosilicate produit.
• Etudier son impact sur l’usure et la durée de vie des matériaux réfractaires du four verrier.

La transition du gaz naturel vers de l’H2 impacterait directement les émissions du site en CO2 au scope 1 :  20 % de puissance apportée par H2 abaisserait nos émissions de 1 200 tCO2 par an, en conservant l’hypothèse que la transmission thermique de la flamme reste similaire à celle du gaz naturel. 

Caractérisation de la flamme obtenue par mélange d’Hydrogène à 10% et 20% en puissance, dans le gaz naturel, dans un four pilote sans bain verrier, en recherchant les optimisations des paramètres techniques des brûleurs. Impact sur les transferts thermiques et les fumées.

Caractérisation de la flamme obtenue par mélange pendant 60h d’Hydrogène à 10% et 20% en puissance dans le gaz naturel, dans un four verrier produisant du borosilicate. Recherche d’impacts sur le transfert thermique, sur la tenue des brûleurs, sur les fumées de combustions et les envolements de matière dans le four et sur le verre produit, y compris lors de sa transformation en produits finis.

Essais en laboratoires pour la caractérisation des effets de corrosion et de vieillissement de certains réfractaires utilisés dans le four verriers et premières pistes d’optimisations possibles.

Discussion sur les défis à relever, notamment pour la production d’hydrogène sur site : faisabilité technique et économique. 

Le projet Hyrex est terminé et a permis de démontrer :

• La possibilité technique d’adaptation des brûleurs oxy-combustion utilisés dans les fours verriers afin de produire une flamme stable et capable d’une transmission thermique radiative satisfaisante vers le verre.
• La capacité technique avérée de régulation complètement automatisée de l’injection d’H2 dans le gaz naturel.
• La possibilité technique d’utilisation de l’Hydrogène en mélange dans le gaz naturel, sans perte de transmission de la puissance de combustion du four verrier. Il sera nécessaire d’approfondir ce point lors d’essais plus longs afin de déterminer l’impact potentiellement positif sur la croute du bain de verre et de l’expliquer : est-ce une conséquence d’une transmission thermique différente ou d’une réaction chimique de la croute liée à la modification chimique de l’atmosphère de combustion ?
• L’absence d’impact de l’injection d’H2 à 20% sur le formage des paraisons et sur les propriétés physico-chimiques du verre produit, en fonction des besoins de production du verre borosilicate Pyrex.
• La modification partielle de la composition des fumées de combustion et des envolements de matières. La conclusion proposée est la suivante : les risques afférents restent faibles à 20% d’H2 et très modérés jusqu’à 60% d’H2 dans le gaz naturel.  Il conviendra donc d’approfondir les essais dans le cas d’essais à très hautes valeurs d’injection. 
• L’absence d’impact à court terme sur les réfractaires utilisés dans le four, même si les essais laboratoire démontrent une probable corrosion accélérée notamment sur la silice utilisée en voute du four, dont les conséquences restent à évaluer. 

Les essais réalisés en juin 2022 dans le cadre du projet HYREX étaient à la fois très spécifiques au verre borosilicate, et très en avance au sein du secteur verrier. Depuis, beaucoup d’autres industriels du secteur ont réalisé leurs propres essais, dont plusieurs d’entre eux après échanges avec IC.

Le sujet de la décarbonation en général, et de l’utilisation d’H2 en particulier devient un sujet prégnant. Valorisation du projet HYBER, dans le contexte de la décarbonation du site :

• Juin et juillet 2022 : Nombreux postes LinkedIn: IC, Air Liquide, SEFPRO, Fédérations du Verre
• Juin 2022 : Communication lors du 26th International Congress on glass, Berlin, par Air Liquide
• Septembre 2022 : Mise en avant pendant le salon GlassTec 2022, Düsseldorf, par Air Liquide et Sefpro
• Janvier 2023 : Communication lors des journées Revelor 2023, Nancy, par IC
• Mai 2023 : Communication lors du séminaire annuel commun à l’USTV (Union des Sciences et Techniques du Verre) et DGG (Société Allemande pour les technologies verrières), Orléans, par IC
• Juin 2023 : Communication lors du séminaire Glass Service 2023, Velke Karlovice (Rep. Tchèque), par IC
• Avril 2024 : Communication lors du ICG Spring School 2024, Lorret del Mar, par IC 

Coordinateur  

• International Cookware (36)

Partenaires

• GRTGaz (92)
• Air Liquide (75)
• Saint-Gobain Recherche (92)
• AGC (59)

Localisation

• Centre

Détails du projet

• Durée : 30 mois
• Mois/Année de démarrage : Novembre 2022 

Montant total du projet

• 250 000 €

Aide projet

• 133 000 €