Flammability Limits and Mixing Behavior of an Under-Expanded Hydrogen-Blended Natural Gas Jet Following Accidental Pipeline Release
Cette étude démontre que, bien que la pression de fonctionnement du pipeline soit le facteur dominant régissant la dispersion et l'inflammabilité des jets sous-déployés, le mélange du gaz naturel avec jusqu'à 20 % d'hydrogène a un impact négligeable sur le comportement de l'écoulement, suggérant que les directives de sécurité existantes pour les rejets de gaz naturel restent applicables.
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Lorsqu'une conduite à haute pression transportant du gaz naturel se rompt, le gaz qui s'échappe ne se contente pas de dériver ; il explose vers l'extérieur sous la forme d'un jet supersonique violent. Cette libération soudaine crée une danse complexe d'ondes de choc et de turbulences, compressant et chauffant l'air environnant. Pendant des décennies, les ingénieurs se sont appuyés sur des règles de sécurité conçues pour le gaz naturel pur pour prédire jusqu'où ce nuage dangereux voyagera et où il pourrait s'enflammer. Aujourd'hui, cependant, les entreprises énergétiques commencent à mélanger de l'hydrogène dans ces conduites pour créer un carburant plus propre. L'hydrogène brûle différemment du gaz naturel ; il s'enflamme plus facilement et peut brûler dans une gamme de concentrations beaucoup plus large. Cela a soulevé une question critique pour les experts en sécurité : si nous ajoutons de l'hydrogène au mélange, le nuage invisible de gaz s'échappant se comportera-t-il d'une manière qui rend les règles de sécurité actuelles obsolètes ?
Une équipe de chercheurs de l'Université de la Colombie-Britannique s'est donné pour mission de répondre à cela en simulant l'instant exact où une conduite à haute pression échoue. Ils ont utilisé de puissants modèles informatiques pour recréer la physique d'un jet de gaz jaillissant dans l'air, testant des mélanges contenant de zéro à vingt pour cent d'hydrogène. Leur objectif était de voir si l'ajout d'hydrogène modifiait la forme des ondes de choc, la distance parcourue par le gaz, ou la rapidité avec laquelle il se mélange à l'air pour former un nuage inflammable. Les simulations étaient rigoureuses, tenant compte du fait qu'à haute pression, les gaz ne se comportent pas comme des fluides idéaux simples, et elles ont été soigneusement vérifiées par rapport à des expériences réelles pour garantir que les modèles numériques étaient précis.
Les chercheurs ont découvert que la quantité d'hydrogène dans le mélange importe bien moins que la pression à l'intérieur de la conduite. Que le gaz soit du gaz naturel pur ou un mélange contenant vingt pour cent d'hydrogène, le jet se comportait de manière presque identique en termes de distance parcourue, de quantité d'air aspiré et de taille de la zone inflammable dangereuse. La force dominante façonnant la catastrophe était la pression de la canalisation elle-même. Une libération provenant d'une ligne de transport à haute pression, fonctionnant à quatre mégapascals, a créé un jet qui voyageait beaucoup plus loin et se mélangeait beaucoup plus violemment qu'une libération d'une ligne de distribution à plus basse pression à 0,4 mégapascal. Le contenu en hydrogène, dans la plage testée, était un acteur mineur par rapport à la force brute de la pression qui propulsait le gaz vers l'extérieur.
Cette découverte suggère que les directives de sécurité actuellement utilisées pour les conduites de gaz naturel peuvent probablement rester en place même lorsque l'hydrogène est mélangé, du moins jusqu'au niveau de vingt pour cent. Les modèles informatiques ont montré que les structures de choc, qui ressemblent à des anneaux et des disques distincts dans l'air, ainsi que les couches de mélange turbulentes qui déterminent la vitesse à laquelle le gaz se dilue, n'étaient pas significativement altérées par l'hydrogène. La seule différence majeure était que la plage d'inflammabilité du mélange s'est légèrement déplacée, mais la distance physique parcourue par le nuage et la vitesse à laquelle il se dispersait restaient dictées par la pression de la conduite. L'étude a également confirmé qu'une modélisation informatique précise nécessite de traiter le gaz comme une substance réelle qui change de densité et de température sous une pression extrême, plutôt que d'utiliser des hypothèses simplifiées qui ne fonctionnent que pour les scénarios à basse pression.
En fin de compte, ce travail fournit un point de données rassurant pour la transition vers l'énergie hydrogène. Il indique que l'infrastructure construite pour le gaz naturel est suffisamment robuste pour gérer des quantités modérées d'hydrogène sans créer de nouveaux dangers imprévisibles en cas de fuite. Le principal facteur de risque reste la pression de fonctionnement du système, et non le mélange spécifique de gaz à l'intérieur de celui-ci. Bien que les chercheurs aient noté que leur étude était limitée à des mélanges allant jusqu'à vingt pour cent et à des plages de pression spécifiques, leurs résultats offrent une voie claire : les évaluations de sécurité doivent se concentrer sur la pression de la conduite, et la compréhension actuelle de la dispersion des gaz reste vraie même lorsque le mélange de carburant évolue.
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