EP1328754A1 - Reservoir composite de stockage de gaz naturel comprime a haute pression a bord d'un vehicule - Google Patents

Reservoir composite de stockage de gaz naturel comprime a haute pression a bord d'un vehicule

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EP1328754A1
EP1328754A1 EP01976364A EP01976364A EP1328754A1 EP 1328754 A1 EP1328754 A1 EP 1328754A1 EP 01976364 A EP01976364 A EP 01976364A EP 01976364 A EP01976364 A EP 01976364A EP 1328754 A1 EP1328754 A1 EP 1328754A1
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    • F17C2270/0168—Applications for fluid transport or storage on the road by vehicles
    • F17C2270/0178—Cars

Definitions

  • the invention relates to an all-composite storage tank for compressed natural gas at high pressure on board a vehicle.
  • the filling time of a gaseous fuel is longer than that of a liquid fuel, if the station is not dimensioned accordingly.
  • the time required to fill a natural gas tank at 200 bar with a capacity equal to 100 liters (in water) can vary from 8 hours for a domestic station (filling rate: 3 m 3 (n) / h), 3 minutes for a service station using buffer storage (filling rate: 600 m 3 (n) / h).
  • the object of the invention is to propose an all-composite tank having improved thermal qualities and really suitable for rapid filling.
  • the object of the invention is achieved thanks to an all-composite tank, having an internal plastic jacket, intended to be in contact with the gas, the mechanical resistance of which is ensured by a filament winding embedded in a resin matrix and characterized by the presence of thermally conductive fillers in the plastic of the inner jacket.
  • These charges participate in the dissipation of calories from natural gas to the environment.
  • the jacket thus becomes thermally conductive and no longer constitutes a thermal barrier.
  • the resin of the matrix of the filament winding is itself loaded with thermally conductive material, which gives the winding a conducting role or reinforces this role in the case where the filament fiber of the winding is already conductive (like carbon fiber by example).
  • the products which can be used as conductive filler for the plastic of the jacket and the resin of the matrix are advantageously chosen from the group containing: metal powders and flakes (the metal being aluminum, iron, copper, money, etc.); metallized glass microbeads, coated with copper or other metal; particles from 10 to 500 ⁇ m of carbon (carbon black); short carbon fiber (cut or otherwise); graphite dust; metallic foam; foam of composite fibers in small fragments.
  • the conductive filler is a metallic powder added in a proportion of the order of 10 to 30% by volume, and preferably close to 20%, which allows the conductivity to be considerably increased without critically penalizing the total mass. .
  • the plastics used for the jacket and the resins and the fibers used for the winding layer are materials well known to those skilled in the art.
  • the shirt may in particular be made of thermoplastic material of high density (P.H.D.E.) and medium density (P.M.D.E.) type, and the resin may be of polyester, epoxy, or polyurethane type.
  • the filament winding can be of all known composite fibers (carbon, aramid, glass, ).
  • FIG. 1 is a simulation graph of the evolution of the temperature of the gas in a 100 liter tank during fast and slow filling, as a function of time t,
  • FIG. 2 is a graph showing the evolution of the temperature T 0j oo 8; t of the outer wall (upper surface) of the inner jacket of a tank, 0.008 m thick, as a function of time t, for two types of tank, namely an all-composite tank and an aluminum tank with iso-water capacity.
  • FIG. 3 is a graph showing the evolution of the temperature of the gas as a function of time in the reservoirs of FIG. 2,
  • FIG. 4 is a schematic view of an all-composite tank according to the invention.
  • the filling rate of the station must be increased with the following consequences:
  • the graph of figure 1 shows the evolution of the gas temperature in this one depending on whether the filling is isothermal (the final temperature T is equal to the initial temperature T ] 5 for example 15 ° C, rapid filling at 540 Nm 3 / h and slow filling at 3 Nm / h (the gas temperature T varies between the initial temperature T !
  • the diffusivity (ratio between the thermal conductivity and the calorific heat of a m of material) characterizes the capacity of a material to conduct heat.
  • the attached table shows that the thermal properties between metallic materials and plastics are very different. This results in very different thermal behaviors of tanks of type 3 and 4 which are compared on the graphs of FIGS. 2 and 3. It can be seen that at iso-thickness and iso-thermal loading (the final temperature of the gas T s after a fast loading less than 30s is fixed, for example at 140 ° C and corresponds to the maximum gas temperature at 200 bar), the evolution of the outside temperature of the inner jacket is different depending on whether the tank is of type 3 (jacket aluminum) or type 4 (polyethylene jacket), as shown in Figure 2
  • the "all-composite" tank rises faster in pressure under the effect of the calories not dissipated; the threshold pressure corresponding to the station stop is reached more quickly and the mass of on-board gas is lower;
  • the aluminum jacket tank ensures more efficient cooling of the gas. If we disregard time, the mode of conduction / convection in steady state, makes it possible, in fact, to break down the the ⁇ nique resistance of a tank into: • a cylindrical resistance involving the thermal conductivity of the material ⁇ and its geometric characteristics;
  • the tank made of an aluminum jacket and entirely wound by carbon fiber therefore apparently represents the best technical solution because it is efficient from a point of view:
  • the invention provides a cylindrical reservoir 1 (cf. FIG. 4) comprising an inner plastic jacket 2 surrounded by a layer 3 of filament winding embedded in a resin matrix, the reservoir determining an inner filling capacity 4 accessible through an opening 5, in which the plastic jacket 2 as well as, preferably, the resin of the layer 3 have been loaded with conductive materials, the conductive additives provided not modifying the manufacturing process of the tank and improving the conductivity thermal resistance of the tank without penalizing the functions of sealing of the plastic of the jacket and of binder of the resin of the filament winding layer.
  • the conductive charges make it possible to give the reservoir 1 over its entire thickness a sufficient conductivity without prohibitive increase in mass; indeed, an addition of 20%, for example, of aluminum (by volume) increases the thermal conductivity of the resin thus charged by 100% and degrades only the mass of the tank by 10%.
  • the solution of the invention does not modify the processes for manufacturing the plastic jacket because it is an addition of conductive fillers or the filament winding which can always be carried out dry or wet.
  • the potentionmetry control method ensures the low thermal resistance of the internal jacket: by applying an electrical voltage to the thickness of the plastic, the effectiveness of the presence of the charges is measured conductive due to a voltage drop varying in the same direction as the thermoconductivity.

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Abstract

Dans ce réservoir tout-composite du type présentant une chemise interne (2) en plastique destinée à être en contact avec le gaz entourée par un bobinage filamentaire (3) noyé dans nue matrice de résine, la matière plastique de la chemise interne et la résine du bobinage contiennent des charges conductrices thermiquement. Ces charges participent à la dissipation des calories du gaz naturel vers l'ambiante. La chemise devient ainsi conductrice thermique et non plus une barrière thermique et permet un remplissage rapide du reservoir en gaz sous pression.

Description

RESERVOIR COMPOSITE DE STOCKAGE DE GAZ NATUREL COMPRIME A HAUTE PRESSION A BORD D ' UN VEHICULE
5 L'invention concerne un réservoir tout-composite de stockage de gaz naturel comprimé à haute pression à bord d'un véhicule.
Le stockage de gaz naturel sous forme de gaz comprimé à haute pression à bord d'un véhicule, représente un bon compromis d'un point de vue : 0 - du ratio masse du réservoir/capacité en eau (exprimé en kg/litre), - et du coût.
La réglementation concernant les réservoirs haute pression pour le stockage à bord des véhicules automobiles du gaz naturel utilisé comme combustible, reconnaît 4 types de réservoirs de forme cylindrique : 15 1. les réservoirs entièrement métalliques (1 kg/litre) ;
2. les réservoirs frettés dont le "liner" ou chemise intérieure (partie en contact avec le gaz) assure à lui seul la résistance mécanique ; l'enroulement filamentaire autour de la chemise n'assure qu'un complément de sécurité par rapport à la rupture (0,8 kg/litre) ; 0 3. les réservoirs entièrement renforcés, constitués d'une chemise métallique assurant l'étanchéité et d'un renfort bobiné sur les parties cylindriques ainsi que sur les extrémités (0,4 kg/litre) ; 4. les réservoirs "tout-composites" constitués d'une chemise en matière plastique et bobinés sur les parties ' cylindriques ainsi que sur les 5 extrémités (0,35 kg/litre). De tels réservoirs sont connus par exemple par les documents US 5025943 et US 5499.739.
Ces 4 types de réservoirs répondent aux spécifications données par la réglementation et font l'objet de contrôles rigoureux pendant leur durée de vie. Soumis à des essais particulièrement sévères (statique, fatigue, 0 impact de projectiles basse et haute énergie, feu), ils présentent le même niveau de sécurité.
La substitution d'un réservoir en acier (type 1) par un réservoir "tout-composite" (type 4) est donc une réponse à l'allégement du stockage de gaz, embarqué à bord d'un véhicule. Pour obtenir l'équivalent énergétique d'un carburant liquide (essence ou gasoil) contenu dans un volume V, il faut stocker, à 200 bar, un volume de gaz naturel égal à 4 fois le volume de carburant liquide (soit 4V).
De plus, le temps de remplissage d'un carburant gazeux est plus long que celui d'un carburant liquide, si la station n'est pas dimensionnée en conséquence.
A titre d'exemple, le temps nécessaire au remplissage d'un réservoir de gaz naturel à 200 bar d'une capacité égale à 100 litres (en eau) peut varier de 8 heures pour une station domestique (débit de remplissage : 3 m3(n)/h), à 3 minutes pour une station-service utilisant un stockage tampon (débit de remplissage : 600 m3(n)/h).
Ainsi, le remplissage rapide (remplissage dont la durée est équivalente à celle nécessaire pour effectuer le remplissage d'un carburant liquide) est possible, mais à condition que le réservoir dissipe correctement les calories du gaz engendrées par la compression dans un temps très court, vers l'extérieur. Or tel n'est pas le cas dans les réservoirs tout-composites connus. La substitution d'un réservoir en acier (type 1) par un réservoir tout-composite (type 4) n'est donc pas aujourd'hui la bonne solution pour réaliser un remplissage rapide. Autrement dit, si on compare les réservoirs de type 1
(entièrement métalliques) et de type 4 (tout-composites), le bénéfice de l'allégement obtenu avec les seconds est perdu par des propriétés thermiques inférieures à celles des premiers.
Le but de l'invention est de proposer un réservoir tout-composite présentant des qualités thermiques améliorées et vraiment apte au remplissage rapide.
Le but de l'invention est atteint grâce à un réservoir tout- composite, présentant une chemise interne en plastique, destinée à être en contact avec le gaz, dont la résistance mécanique est assurée par un bobinage filamentaire noyé dans une matrice de résine et caractérisé par la présence de charges conductrices thermiquement dans la matière plastique de la chemise interne. Ces charges participent à la dissipation des calories du gaz naturel vers l'ambiante. La chemise devient ainsi conductrice thermiquement et ne constitue plus une barrière thermique. Avantageusement, la résine de la matrice du bobinage filamentaire est elle-même chargée en matière thermiquement conductrice, qui confère au bobinage un rôle conducteur ou renforce ce rôle dans le cas où la fibre filamentaire du bobinage est déjà conductrice (comme la fibre de carbone par exemple).
Les produits qui peuvent être utilisés au titre de charge conductrice du plastique de la chemise et de la résine de la matrice sont avantageusement choisis parmi le groupe contenant : les poudres et paillettes métalliques (le métal étant l'aluminium, le fer, le cuivre, l'argent, etc.) ; les microbilles de verre métallisées, recouvertes de cuivre ou d'autre métal ; les particules de 10 à 500 μm de carbone (noir de carbone) ; de la fibre de carbone courte (coupée ou autre) ; des poussières de graphite ; de la mousse métallique ; de la mousse de fibres composites en petits fragments.
Avantageusement, la charge conductrice est une poudre métallique ajoutée dans une proportion de l'ordre de 10 à 30% en volume, et de préférence voisine de 20%, ce qui permet d'augmenter considérablement la conductivité sans pénaliser la masse totale de manière critique.
Les matières plastiques utilisées pour la chemise et les résines et les fibres utilisées pour la couche de bobinage sont les matières bien connues de l'homme du métier. La chemise peut notamment être en matière thermoplastique de type haute densité (P.H.D.E.) et moyenne densité (P.M.D.E.), et la résine être de type polyester, époxy, ou polyuréthanne. L'enroulement filamentaire peut être de toutes les fibres composites connues (carbone, aramide, verre, ...). D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description qui va suivre, en référence aux dessins annexés sur lesquels :
-la figure 1 est un graphe de simulation de l'évolution de la température du gaz dans un réservoir de 100 litres lors d'un remplissage rapide et lent, en fonction du temps t,
-la figure 2 est un graphe montrant l'évolution de la température T0joo8;t de la paroi extérieure (extrados) de la chemise intérieure d'un réservoir, d'épaisseur 0,008 m, en fonction du temps t, pour deux types de réservoir, à savoir un réservoir tout-composite et un réservoir en aluminium à iso- capacité en eau. -la figure 3 est un graphe montrant l'évolution de la température du gaz en fonction du temps dans les réservoirs de la figure 2,
-la figure 4 est une vue schématique d'un réservoir tout-composite conforme à l'invention. Ainsi, comme il a été dit précédemment, la substitution d'un réservoir entièrement métallique de gaz comprimé par un réservoir "tout- composite" permet d'alléger le stockage embarqué à bord du véhicule, sans concessions sur les caractéristiques mécaniques (iso-niveau de sécurité), mais les caractéristiques thermiques des réservoirs métalliques et en matériaux composites sont par contre très différentes.
Pour obtenir un temps de remplissage comparable à celui d'un carburant liquide, il faut augmenter le débit de remplissage de la station avec les conséquences suivantes :
• lors de la compression du gaz dans le réservoir, celui-ci s'échauffe d'autant plus vite que le remplissage est rapide : la densité du gaz et la masse de carburant embarquée est donc inférieure à celle qui le serait dans le cas d'un remplissage lent (plusieurs heures) à même seuil d'arrêt (> 200 bars). L'autonomie du véhicule ayant ravitaillé dans une station à remplissage rapide est alors inférieure à celle indiquée dans le carnet de bord.
Dans l'hypothèse où le réservoir n'évacuerait pas la chaleur engendrée par la compression adiabatique (et c'est d'autant plus vrai que le remplissage est rapide), le graphe de la figure 1 montre l'évolution de la température du gaz dans celui-ci selon que le remplissage est isotherme (la température finale T est égale à la température initiale T]5 par exemple 15°C, un remplissage rapide à 540 Nm3/h et un remplissage lent à 3 Nm /h (la température T du gaz varie entre la température initiale T! correspondant à 1 bar et une température maximale correspondant à 200 bar, par exemple de l'ordre de 150 °C) : • La surface d'échange d'un réservoir de forme cylindrique (rapport surface/volume faible) étant déjà faible, le réservoir "tout-composite" à chemise plastique donne naissance à l'effet bouteille "Thermos"® (bouteille isotherme) s'il ne dissipe pas suffisamment vite les calories engendrées par la compression du gaz. Ces calories non dissipées engendrent un échauffement de la matière plastique de la chemise et donc une perte des propriétés mécaniques de celle-ci (passage d'un comportement élastique plastique à un comportement élastique caoutchouteux). • Pour compenser la chute de densité du gaz, l'exploitant de la station de remplissage augmente la pression de remplissage ; par là même, l'énergie nécessaire à la compression est plus importante et donc la dépense énergétique est accrue.
La diffusivité (rapport entre la conductibilité thermique et la chaleur calorifique d'un m de matériau) caractérise la capacité d'un matériau à conduire la chaleur.
Le tableau annexé montre que les propriétés thermiques entre les matériaux métalliques et les matières plastiques sont très différentes. Il en résulte des comportements thermiques très différents des réservoirs de type 3 et 4 qui sont comparés sur les graphes des figures 2 et 3. On constate qu'à iso-épaisseur et iso-chargement thermique (la température finale du gaz Ts après un chargement rapide inférieur à 30s est fixée, par exemple à 140 °C et correspond à la température maximale du gaz à 200 bar), l'évolution de la température extérieure de la chemise intérieure est différente selon que le réservoir est de type 3 (chemise en aluminium) ou de type 4 (chemise en polyéthylène), comme le montre la figure 2
Les températures de la surface extérieure des chemises
(extrados) évoluent asymptotiquement mais celle-ci est sensiblement atteinte beaucoup plus tardivement dans le cas de la chemise en plastique que dans le cas de la chemise en aluminium, du fait de la faible diffusivité du matériau plastique.
Cette différence de comportement thermique entre les deux types de réservoirs a les conséquences suivantes :
- le réservoir "tout-composite" monte plus vite en pression sous l'effet des calories non dissipées ; la pression-seuil correspondant à l'arrêt de la station est atteinte plus rapidement et la masse de gaz embarquée est plus faible ;
- le réservoir à chemise en aluminium permet d'assurer un refroidissement plus efficace du gaz. Si on fait abstraction du temps, le mode de conduction/convection en régime permanent, permet en effet, de décomposer la résistance theπnique d'un réservoir en : • une résistance cylindrique faisant intervenir la conductibilité thermique du matériau λ et ses caractéristiques géométriques ;
• une résistance due à la convection entre la surface externe du réservoir et l'air ambiant (constant quel que soit le type de matériau). Le graphe de la figure 3 représente l'évolution de température du gaz naturel après remplissage, dans les deux cas étudiés :
On y voit que la nature du matériau a une influence sur la température du gaz après l'opération ; pour que la température du gaz revienne à 65°C (limite admissible en régime stabilisé), il faut : - 30 minutes pour un réservoir à chemiser en plastique ;
- 24 minutes pour un réservoir à chemise en aluminium.
Le réservoir constitué d'une chemise en aluminium et entièrement bobiné par de la fibre de carbone (type. 3) représente donc apparemment la meilleure solution technique car il est performant d'un point de vue :
- Allégement (2,5 fois plus léger qu'un réservoir en acier à iso-capacité en eau) ;
- thermique (7 fois plus "diffusant" que l'acier).
Néanmoins, cette solution est coûteuse du fait de la fabrication de la chemise en aluminium, comparée à celle de la chemise en plastique.
C'est pourquoi l'invention propose un réservoir cylindrique 1 (cf. figure 4) comportant une chemise intérieure en plastique 2 entourée par une couche 3 d'enroulement filamentaire noyé dans une matrice de résine, le réservoir déterminant une capacité intérieure de remplissage 4 accessible par une ouverture 5, dans lequel la chemise en plastique 2 ainsi que, de préférence, la résine de la couche 3 ont été chargées par des matières conductrices, les additifs conducteurs apportés ne modifiant pas le processus de fabrication du réservoir et améliorant la conductibilité thermique du réservoir sans pénaliser les fonctions d'étanchéité du plastique de la chemise et de liant de la résine de la couche d'enroulement filamentaire.
Les charges conductrices permettent de conférer au réservoir 1 sur toute son épaisseur une conductibilité suffisante sans augmentation prohibitive de masse ; en effet, un ajout de 20%, par exemple, d'aluminium (en volume) accroît de 100% la conductibilité thermique de la résine ainsi chargée et dégrade seulement de 10% la masse du réservoir.
La solution de l'invention ne modifie pas les procédés de fabrication de la chemise plastique car il s'agit d'un ajout de charges conductrices ni de l'enroulement filamentaire qui peut toujours être réalisé par voie sèche ou par voie humide.
En fin de production, la méthode de contrôle par potentionmétrie permet de s'assurer de la faible résistance thermique de la chemise interne : par application d'une tension électrique sur l'épaisseur du plastique, on mesure l'efficacité de la présence des charges conductrices grâce à une chute de tension variant dans le même sens que la thermoconductivité.
09
TABLEAU

Claims

REVENDICATIONS
1. Réservoir tout-composite du type présentant une chemise interne (2) en plastique destinée à être en contact avec le gaz, entourée par un bobinage filamentaire (3) noyé dans une matrice de résine, caractérisé en ce que la matière plastique de la chemise interne (2) contient des charges conductrices thermiquement.
2. Réservoir selon la revendication 1, caractérisé en ce que la résine de la matrice du bobinage filamentaire (3) contient des charges conductrices thermiquement.
3. Réservoir selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les charges thermiquement conductrices sont choisies parmi le groupe contenant : les poudres et paillettes métalliques ; les microbilles de verre métallisées, les particules de 10 à 500 μm de carbone ; de la fibre de carbone courte ; des poussières de graphite ; de la mousse métallique ; de la mousse de fibres composites en petits fragments.
Réservoir selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la charge conductrice est une poudre métallique ajoutée dans une proportion de l'ordre de 10 à 30% en volume.
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