EP4567358A1 - Installation et procédé de production d'hydrogène liquéfié - Google Patents

Installation et procédé de production d'hydrogène liquéfié Download PDF

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EP4567358A1
EP4567358A1 EP24211810.7A EP24211810A EP4567358A1 EP 4567358 A1 EP4567358 A1 EP 4567358A1 EP 24211810 A EP24211810 A EP 24211810A EP 4567358 A1 EP4567358 A1 EP 4567358A1
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EP
European Patent Office
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hydrogen
cycle
buffer storage
gas
gaseous hydrogen
Prior art date
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Pending
Application number
EP24211810.7A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Hugo PONTISSO
Axelle GAERTNER
Richard Dubettier
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Air Liquide SA
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Original Assignee
Air Liquide SA
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Air Liquide SA, LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude filed Critical Air Liquide SA
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  • the invention relates to a plant and a method for producing liquefied hydrogen.
  • the invention relates more particularly to a liquefied hydrogen production installation
  • a gaseous hydrogen generator for example an electrolyser, configured to produce gaseous hydrogen
  • a liquefier for example an electrolyser
  • the liquefier comprising a cycle circuit refrigerator configured to provide cold power and cool the gaseous hydrogen from the supply line with a view to liquefying it
  • the installation comprising at least one compressor for the gaseous hydrogen produced by the gaseous hydrogen generator and a buffer storage configured to store the compressed gaseous hydrogen between the gaseous hydrogen generator and the liquefier.
  • Hydrogen production and hydrogen liquefaction from renewable energy require optimization and synergies between production (typically electrolysis) and liquefaction units.
  • liquefiers have relatively low flexibility (limited flow rate change and/or start-up time).
  • An aim of the present invention is to overcome all or part of the drawbacks of the prior art noted above.
  • the installation according to the invention which also conforms to the generic definition given in the preamble above, is essentially characterized in that the buffer storage is connected to the supply line via a set of bypass lines, i.e. the buffer storage and the liquefier are connected in parallel to the hydrogen gas outlet of the hydrogen gas generator.
  • the invention also relates to a method for producing liquefied hydrogen using an installation according to any one of the characteristics above or below, comprising a step of supplying compressed gaseous hydrogen to the buffer storage when the gaseous hydrogen generator produces a quantity of hydrogen greater than a first threshold and a step of supplying the supply line with compressed gaseous hydrogen from the buffer storage when the gaseous hydrogen generator produces a quantity of hydrogen less than a second threshold.
  • the invention may also relate to any alternative device or method comprising any combination of the above or below features within the scope of the claims.
  • the illustrated liquefied hydrogen production installation 1 comprises a gaseous hydrogen generator 2, for example an electrolyzer, configured to produce gaseous hydrogen, a liquefier 7 and a supply line 6 connecting an outlet of the gaseous hydrogen generator 2 to an inlet of the liquefier 7.
  • a gaseous hydrogen generator 2 for example an electrolyzer
  • the hydrogen gas generator 2 is designated an electrolyzer.
  • this hydrogen gas generator 2 may comprise a reforming device, in particular an auto-thermal reforming device (“ATR”).
  • ATR auto-thermal reforming device
  • the liquefier 7 includes a cycle circuit refrigerator 8 configured to provide cold power and cool the hydrogen gas in the supply line 6 for liquefaction.
  • the installation 1 comprises at least one compressor 10 of the gaseous hydrogen produced by the electrolyser 2 and at least one buffer storage 9 configured to store the compressed gaseous hydrogen between the electrolyser 2 and the liquefier 7.
  • the buffer storage 9 is connected to the supply pipe 6 via a set of bypass pipe(s) 19, 29, i.e. the buffer storage 9 and the liquefier 2 are connected in parallel to the gaseous hydrogen outlet of the electrolyser 2.
  • This architecture allows for better interoperability between electrolyzer 2 and liquefier 7.
  • the buffer storage 9 is preferably a high-pressure gas storage allowing compressed hydrogen to be stored when the electrolyser 2 is producing at full capacity and hydrogen to be returned, for example, when the production of hydrogen by electrolyser 2 is insufficient (renewable energy poorly available for example).
  • At least one compressor 10 may be located on the set of bypass lines 19.
  • bypass line assembly may include a first line 19 configured to fill the buffer storage 9 and a return line 29 configured to transfer hydrogen gas from the buffer storage 9 to the supply line 6.
  • the restitution pipe 29 preferably comprises at least one member 39 for expanding the gaseous hydrogen from among: an expansion valve, a turbine, a turbine coupled to an electric power generator or to a compressor to form a turbocharger.
  • a 39 electricity production turbine can be used to produce electricity during this restitution period (cf. [ Fig. 2 ]).
  • the refrigerator 8 ensuring the cooling of the hydrogen with a view to its liquefaction may comprise a refrigerator of the cycle circuit 16 type configured to produce cold power by subjecting a cycle gas comprising for example helium and/or hydrogen to a thermodynamic cycle.
  • the cycle circuit 16 of such a refrigerator 8 typically comprises a set of compressors of the cycle gas, at least one member 13 for cooling the compressed cycle gas (one or more heat exchangers) and at least one member 15 for expanding the compressed cycle gas (valve(s) and/or turbine(s)).
  • the refrigerator cycle circuit 16 is separate from the supply line 6. In addition, this cycle circuit 16 is closed.
  • the cycle gas After compression 11 at room temperature, the cycle gas is cooled in a first heat exchanger assembly 13 (up to a first temperature, for example of the order of 80K). The cycle gas is then expanded (valve 15) and produces cold power which is supplied to the supply line 6 in a colder heat exchanger 14 (typically around 20K). The cycle gas which provided the cold power is returned to compression and heats up by cooling the cycle gas flow which is going to be expanded. By returning to compression the cycle gas also cools the supply line 6 in the opposite direction (typically countercurrently).
  • the liquefier 7 may comprise at least one pre-cooling device 12 in heat exchange with the supply line 6 and the cycle circuit 16 and configured to ensure pre-cooling of the gaseous hydrogen to an intermediate temperature (80K) before its cooling by the refrigerator 8.
  • This pre-cooling device 12 comprises for example at least one of: a nitrogen refrigeration cycle or with a refrigeration mixture in heat exchange with a pre-cooling exchanger assembly 13 (for example in a first pre-cooling cold box).
  • the cycle gas is hydrogen (i.e. of the same nature as the gas to be liquefied).
  • the buffer storage 9 can be connected to the cycle circuit 16 to supply the cycle circuit 16 with hydrogen and/or to possibly be supplied with hydrogen by the cycle circuit. That is to say that the cycle circuit 16 can be open.
  • At least one compressor 10 of the gaseous hydrogen intended to supply the buffer storage 9 can also be a compressor of the set of compressor(s) 10, 11 of the cycle gas (cf. [ Fig. 3] or [Fig. 4 ]).
  • a part of the supply line 6 can also constitute a portion of the cycle circuit 16.
  • the cycle circuit 16 of the refrigerator 8 may be partly common with the supply line 6.
  • the supply line 6 may comprise a cryogenic purification system 25 (of the TSA type for example) then an expansion member 36 (valve for example) for expansion with a view to liquefaction (cooling 14 below the critical temperature).
  • the supply line 6 may supply liquefied hydrogen to a storage 18 of liquid hydrogen.
  • the installation 1 may comprise a bypass pipe provided with an expansion member 15 (valve for example) and connected to the rest of the cycle circuit 16. That is to say that the cycle circuit 16, after compression 11 at non-cryogenic temperature, may comprise a passage in the supply pipe 6 in which the cycle gas is pre-cooled 13 then purified 25 then expanded 15 before providing its cold power to the supply pipe 6 and returning to the compression 11 (by giving up its frigories in the heat exchangers while heating up).
  • the cycle circuit 16 after compression 11 at non-cryogenic temperature, may comprise a passage in the supply pipe 6 in which the cycle gas is pre-cooled 13 then purified 25 then expanded 15 before providing its cold power to the supply pipe 6 and returning to the compression 11 (by giving up its frigories in the heat exchangers while heating up).
  • the compression pressure in the cycle circuit 16 and the pressure in the supply line 6 can be set at the same level and these flows can be mixed in a part of the supply line 6 up to the outlet of the cryogenic purification device 25. Downstream of this cryogenic purification 25, a part of the hydrogen is expanded 36 for liquefaction while another part is used as high-pressure cycle gas.
  • the supply line 6 may comprise several compressors 10 arranged in series (and/or in parallel) configured to supply the buffer storage 9 and/or the cycle circuit 16 with compressed hydrogen.
  • the compression can be staged between an initial pressure of the order of atmospheric pressure and a pressure level greater than 60 bar, for example greater than 100 bar, in particular greater than 200 bar to supply the buffer storage 9.
  • a pressure level greater than 60 bar, for example greater than 100 bar, in particular greater than 200 bar to supply the buffer storage 9.
  • the supply line 6 supplies for example the cycle circuit 16 of the refrigerator 8.
  • the bypass line 19 can compress with at least one additional compressor 10 the hydrogen to supply the buffer storage 9 at a pressure which can be higher.
  • the restitution line 29 can supply (with expansion 39 if necessary) the supply line 6 downstream of the intermediate compression stage.
  • a line 139 can be provided allowing the buffer storage 9 to transfer fluid to the inlet of the intermediate compression stage (or an upstream compression stage), to supply the supply line 6 further upstream at a lower pressure (for example when the pressure in the buffer storage 9 is relatively low).
  • the pressure within the buffer storage 9 can be variable depending on its filling rate between a determined maximum level (for example 250 bara) and a minimum level and for example a pressure level which can be lower than the target pressure of the cycle circuit, (final compressor(s) 10 switched off).
  • a determined maximum level for example 250 bara
  • a minimum level for example a pressure level which can be lower than the target pressure of the cycle circuit, (final compressor(s) 10 switched off).
  • buffer storage 9 This allows the buffer storage 9 to be used down to a relatively low pressure, for example 5 bara. Using the full pressure of the buffer storage 9 allows its size to be reduced (typically by 10% to 25% for the same quantity of hydrogen stored).
  • the buffer storage 9 can be configured to store hydrogen gas up to a maximum storage pressure determined (e.g. 250 bar) which is higher than the target pressure (e.g. 60 bar) but the buffer storage 9 may be configured to supply gas to the compression portion of the cycle circuit (and/or to the supply line 6) at the target pressure or at a pressure lower than the target pressure.
  • a cycle circuit line can return cycle gas to compression (at an intermediate stage with or without compression 11 if applicable).
  • another user 26 of the compressed hydrogen gas can be connected as a bypass to the supply line 6 (in parallel to the inlet of the liquefier and in parallel to the buffer storage 9).
  • an additional line 161 or loop with a compressor 11 can be provided to supply the cycle circuit 16 with hydrogen at the intermediate pressure (60 bar).
  • another supply line 17 can connect the buffer storage 9 to the inlet or outlet of at least one of the compressor(s) 11 of the cycle gas and can be configured to allow pressurized hydrogen gas to be supplied to the cycle circuit 16 at a determined pressure level.
  • the installation 1 may comprise at least one storage 18 of liquid hydrogen connected to a downstream end of the supply pipe 6 leaving the liquefier 7.
  • the storage 18 is of the cryogenic type and configured to collect the hydrogen liquefied by the liquefier 7.
  • the installation 1 may comprise a filling circuit 20 connected to the liquid hydrogen storage 18 and configured to allow the filling of tank(s) 21, for example mobile tanks (typically delivery truck).
  • the installation 1 comprises for this purpose a set of pipe(s) 22, 23, 24 for recovering the vaporization gases generated at the liquid hydrogen storage 18 and/or at the level of the filling circuit 20 (for example to recover the vaporization gas from the tanks 21 to be filled).
  • This set of pipe(s) 22, 23, 24 for recovering the vaporization gas is connected to the supply circuit 6 to recycle, if necessary, the vaporization gas recovered in the supply pipe 6 (if necessary with compression 111).
  • intermediate pressure vaporization gas can be recovered at the start of depressurization of the trucks/ships 21, this vaporization gas can be mixed with the hydrogen from the supply line 6 with or without an intermediate compressor 11 depending on the pressure level.
  • the installation 1 may comprise several liquefiers 7 connected in parallel to the supply pipe 6 and also connected in parallel to the buffer storage 9.
  • the invention allows the installation to be adapted to production fluctuations (intermittent renewable energy, for example) with integration offering maximum synergies.

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Abstract

L'invention concerne une installation de production d'hydrogène liquéfié comprenant un générateur (2) d'hydrogène gazeux configuré pour produire de l'hydrogène gazeux, un liquéfacteur (7), une conduite (6) d'alimentation reliant une sortie d'hydrogène gazeux du générateur (2) d'hydrogène gazeux à une entrée du liquéfacteur (7), le liquéfacteur (7) comprenant un réfrigérateur (8) à circuit de cycle configuré pour fournir de la puissance froide et refroidir l'hydrogène gazeux de la conduite (6) d'alimentation en vue de sa liquéfaction, l'installation (1) comprenant au moins un compresseur (10) de l'hydrogène gazeux produit par le générateur (2) d'hydrogène gazeux et un stockage (9) tampon configuré pour stocker l'hydrogène gazeux comprimé entre le générateur (2) d'hydrogène gazeux et le liquéfacteur (7), le stockage (9) tampon étant raccordé à la conduite (6) d'alimentation via un ensemble de conduite(s) (19, 29) de dérivation, c'est-à-dire que le stockage (9) tampon et le liquéfacteur (7) sont raccordés en parallèle à la sortie d'hydrogène gazeux du générateur (2) d'hydrogène gazeux.

Description

  • L'invention concerne une installation et un procédé de production d'hydrogène liquéfié.
  • L'invention concerne plus particulièrement une installation de production d'hydrogène liquéfié comprenant un générateur d'hydrogène gazeux, par exemple un électrolyseur, configuré pour produire de l'hydrogène gazeux, un liquéfacteur, une conduite d'alimentation reliant une sortie d'hydrogène gazeux du générateur d'hydrogène gazeux à une entrée du liquéfacteur, le liquéfacteur comprenant un réfrigérateur à circuit de cycle configuré pour fournir de la puissance froide et refroidir l'hydrogène gazeux de la conduite d'alimentation en vue de sa liquéfaction, l'installation comprenant au moins un compresseur de l'hydrogène gazeux produit par le générateur d'hydrogène gazeux et un stockage tampon configuré pour stocker l'hydrogène gazeux comprimé entre le générateur d'hydrogène gazeux et le liquéfacteur.
  • La production d'hydrogène et la liquéfaction de l'hydrogène à partir d'énergie renouvelable nécessitent une optimisation et des synergies entre les unités de production (typiquement électrolyse) et de liquéfaction.
  • Contrairement aux électrolyseurs par exemple, les liquéfacteurs ont une flexibilité relativement faible (taux de changement de débit et/ou temps de démarrage limités).
  • En raison de l'intermittence des énergies renouvelables, la quantité d'hydrogène produite peut varier et ceci peut donc poser des problèmes pour le liquéfacteur en aval. Pour résoudre ce problème il est connu de prévoir un stockage tampon entre la production et la liquéfaction cf. par exemple JP2020024064A2 , CN107779906 ou US2022316076 .
  • Cette solution connue est cependant imparfaite car augmente le coût de l'installation sans offrir une flexibilité d'utilisation et une intégration optimale.
  • Un but de la présente invention est de pallier tout ou partie des inconvénients de l'art antérieur relevés ci-dessus.
  • A cette fin, l'installation selon l'invention, par ailleurs conforme à la définition générique qu'en donne le préambule ci-dessus, est essentiellement caractérisée en ce que le stockage tampon est raccordé à la conduite d'alimentation via un ensemble de conduite(s) de dérivation, c'est-à-dire que le stockage tampon et le liquéfacteur sont raccordés en parallèle à la sortie d'hydrogène gazeux du générateur d'hydrogène gazeux.
  • Par ailleurs, des modes de réalisation de l'invention peuvent comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :
    • l'installation comprend un compresseur situé sur l'ensemble de conduite(s) de dérivation,
    • l'ensemble de conduite(s) de dérivation comprend une conduite de restitution configurée pour transférer de l'hydrogène gazeux du stockage tampon vers la conduite d'alimentation,
    • la conduite de restitution comprend au moins un organe de détente de l'hydrogène gazeux parmi : une vanne de détente, une turbine, une turbine couplée à un générateur de puissance électrique ou à un compresseur pour former un turbocompresseur,
    • le réfrigérateur est du type à circuit de cycle configuré pour produire de la puissance froide en faisant subir un cycle thermodynamique à un gaz de cycle, le circuit de cycle comprenant un ensemble de compresseur(s) du gaz de cycle, au moins un organe de refroidissement du gaz de cycle comprimé et au moins un organe de détente du gaz de cycle comprimé,
    • le gaz de cycle est l'hydrogène et le stockage tampon est raccordé au circuit de cycle pour alimenter le circuit de cycle en hydrogène et/ou être alimenté en hydrogène par le circuit de cycle,
    • l'installation comporte au moins un compresseur de l'hydrogène gazeux destiné à alimenter le stockage tampon qui est également un compresseur de l'ensemble de compresseur(s) du gaz de cycle,
    • la conduite d'alimentation comporte plusieurs compresseurs disposés en série et/ou en parallèle configurés alimenter le stockage tampon et/ou le circuit de cycle en hydrogène comprimé,
    • l'ensemble de compresseur(s) du gaz de cycle comprend plusieurs compresseurs disposés en série et/ou en parallèle, l'installation comprenant une conduite de fourniture reliant le stockage tampon à l'entrée ou à la sortie d'au moins un des compresseur(s) du gaz de cycle et configurée pour permettre de fournir de l'hydrogène gazeux sous pression dans le circuit cycle,
    • l'installation comporte plusieurs liquéfacteurs raccordés en parallèle à la conduite d'alimentation et raccordés également en parallèle au stockage tampon,
    • l'installation comprend un ensemble de stockage(s) d'hydrogène liquide relié(s) à une extrémité de la conduite d'alimentation sortant du liquéfacteur et configuré(s) pour collecter l'hydrogène liquéfié par le liquéfacteur, l'installation comprenant en outre une circuiterie de remplissage raccordée à l'ensemble de stockage(s) d'hydrogène liquide et configuré pour permettre le remplissage de réservoir(s), l'installation comprenant un ensemble de conduite(s) de récupération des gaz de vaporisation générés au niveau de l'ensemble de stockage(s) d'hydrogène liquide et/ou au niveau de la circuiterie de remplissage, l'ensemble de conduite(s) de récupération des gaz de vaporisation étant reliée(s) au circuit d'alimentation,
    • le liquéfacteur comprend un dispositif de pré-refroidissement en échange thermique avec la conduite d'alimentation et configuré pour assurer un pré-refroidissement de l'hydrogène gazeux à une température intermédiaire avant son refroidissement par le réfrigérateur, le dispositif de pré-refroidissement comprenant par exemple au moins l'un parmi : un cycle de réfrigération à l'azote ou avec un mélange de réfrigération,
    • les réfrigérateurs en parallèle sont du type à circuits de cycle dont le gaz de cycle est l'hydrogène et configurés chacun pour produire de la puissance froide en faisant subir un cycle thermodynamique au gaz de cycle, le stockage tampon étant raccordé en parallèle aux circuits de cycle des réfrigérateurs en parallèle pour alimenter ces derniers en hydrogène et/ou être alimenté en hydrogène par les circuits de cycle,
    • le au moins un organe de détente du gaz de cycle comprimé comprend une vanne ou une turbine de détente disposées sur une conduite en dérivation du circuit d'alimentation, en aval d'un dispositif de purification cryogénique de l'hydrogène gazeux à liquéfier,
    • la pression de stockage au sein du stockage tampon est variable selon son taux de remplissage entre un niveau maximum déterminé et un niveau minimum qui peut être
  • inférieur à la pression cible, (compresseur final éteint). L'invention concerne également un procédé de production d'hydrogène liquéfié utilisant une installation selon l'une quelconque des caractéristiques ci-dessus ou ci-dessous, comportant une étape de fourniture d'hydrogène gazeux comprimé au stockage tampon lorsque le générateur d'hydrogène gazeux produit une quantité d'hydrogène supérieure à un premier seuil et une étape d'alimentation de la conduite d'alimentation avec d'hydrogène gazeux comprimé à partir du stockage tampon lorsque le générateur d'hydrogène gazeux produit une quantité d'hydrogène inférieure à un second seuil.
  • Selon d'autres particularités possibles :
    • le procédé comporte une étape d'utilisation d'hydrogène comprimé fourni par la conduite d'alimentation et/ou le stockage tampon pour alimenter une portion de compression d'un circuit de cycle à hydrogène du réfrigérateur du liquéfacteur,- le procédé comporte une étape de compression de l'hydrogène gazeux dans la conduite d'alimentation à une pression cible déterminée, par exemple égale à 60bar, le niveau de compression final de la portion de compression du circuit de cycle étant égal à cette pression cible,
    • le stockage tampon est configuré pour stocker l'hydrogène gazeux jusqu'à une pression de stockage maximale déterminée qui est supérieure à la pression cible, le stockage tampon étant configuré pour fournir du gaz à la portion de compression du circuit de cycle à la pression cible ou à une pression inférieure à la pression cible,
    • le procédé comporte une étape de stockage, dans un stockage d'hydrogène liquide, d'hydrogène liquide produit par l'installation et éventuellement une étape de remplissage de réservoir(s) avec de l'hydrogène liquide du stockage d'hydrogène liquide, le procédé comprenant une étape de récupération de gaz de vaporisation générés au de l'étape de stockage et/ou au cours de l'étape de remplissage et une étape de recyclage du gaz de vaporisation récupéré dans la conduite d'alimentation,
    • le procédé comprend une étape de production d'électricité à partir du travail mécanique fourni par la détente de l'hydrogène soutiré du stockage tampon.
  • L'invention peut concerner également tout dispositif ou procédé alternatif comprenant toute combinaison des caractéristiques ci-dessus ou ci-dessous dans le cadre des revendications.
  • D'autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description ci-après, faite en référence aux figures dans lesquelles :
    • Brève description des figures
  • L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés dans lesquels :
    • [Fig. 1] est une vue schématique et partielle illustrant la structure et le fonctionnement d'une installation selon un premier exemple de réalisation de l'invention,
    • [Fig. 2] est une vue schématique et partielle illustrant la structure et le fonctionnement d'une installation selon un deuxième exemple de réalisation de l'invention,
    • [Fig. 3] est une vue schématique et partielle illustrant la structure et le fonctionnement d'une installation selon un troisième exemple de réalisation de l'invention,
    • [Fig. 4] est une vue schématique et partielle illustrant la structure et le fonctionnement d'une installation selon un quatrième exemple de réalisation de l'invention,
    • [Fig. 5] est une vue schématique et partielle illustrant la structure et le fonctionnement d'une installation selon un cinquième exemple de réalisation de l'invention,
    • [Fig. 6] est une vue schématique et partielle illustrant la structure et le fonctionnement d'une installation selon un sixième exemple de réalisation de l'invention,
    • [Fig. 7] est une vue schématique et partielle illustrant la structure et le fonctionnement d'une installation selon un septième exemple de réalisation de l'invention,
    • [Fig. 8] est une vue schématique et partielle illustrant la structure et le fonctionnement d'une installation selon un huitième exemple de réalisation de l'invention.
    Description détaillée
  • Sur toutes les figures, les mêmes références se rapportent aux mêmes éléments.
  • Dans cette description détaillée, les réalisations suivantes sont des exemples. Bien que la description se réfère à un ou plusieurs modes de réalisation, cela ne signifie pas que les caractéristiques s'appliquent seulement à un seul mode de réalisation. De simples caractéristiques de différents modes de réalisation peuvent également être combinées et/ou interchangées pour fournir d'autres réalisations.
  • L'installation 1 de production d'hydrogène liquéfié illustrée comprend générateur 2 d'hydrogène gazeux, par exemple un électrolyseur, configuré pour produire de l'hydrogène gazeux, un liquéfacteur 7 et une conduite 6 d'alimentation reliant une sortie du générateur 2 d'hydrogène gazeux à une entrée du liquéfacteur 7.
  • Dans la suite, le générateur 2 d'hydrogène gazeux est désigné électrolyseur. Bien entendu, en variante ou en combinaison ce générateur 2 d'hydrogène gazeux peut comporter un dispositif de reformage notamment auto-thermique (« ATR »).
  • Le liquéfacteur 7 comprend un réfrigérateur 8 à circuit de cycle configuré pour fournir de la puissance froide et refroidir l'hydrogène gazeux de la conduite 6 d'alimentation en vue de sa liquéfaction.
  • L'installation 1 comprend au moins un compresseur 10 de l'hydrogène gazeux produit par l'électrolyseur 2 et au moins un stockage 9 tampon configuré pour stocker l'hydrogène gazeux comprimé entre l'électrolyseur 2 et le liquéfacteur 7.
  • Selon une particularité avantageuse, le stockage 9 tampon est raccordé à la conduite 6 d'alimentation via un ensemble de conduite(s) 19, 29 de dérivation, c'est-à-dire que le stockage 9 tampon et le liquéfacteur 2 sont raccordés en parallèle à la sortie d'hydrogène gazeux de l'électrolyseur 2.
  • Cette architecture permet une meilleure interopérabilité entre l'électrolyseur 2 et le liquéfacteur 7.
  • Le stockage 9 tampon est de préférence un stockage gazeux à haute pression permettant de stocker de l'hydrogène comprimé lorsque l'électrolyseur 2 produit à pleine capacité et de restituer de l'hydrogène par exemple lorsque la production d'hydrogène par l'électrolyseur 2 est insuffisante (énergie renouvelable faiblement disponible par exemple).
  • Comme illustré à la [Fig. 1] au moins un compresseur 10 peut être situé sur l'ensemble de conduite(s) 19 de dérivation.
  • En outre, l'ensemble de conduites de dérivation peut comprendre une première conduite 19 configurée pour remplir le stockage 9 tampon et une conduite 29 de restitution configurée pour transférer de l'hydrogène gazeux du stockage 9 tampon vers la conduite 6 d'alimentation.
  • La conduite 29 de restitution comprend de préférence au moins un organe 39 de détente de l'hydrogène gazeux parmi : une vanne de détente, une turbine, une turbine couplée à un générateur de puissance électrique ou à un compresseur pour former un turbocompresseur.
  • Ainsi, la récupération d'hydrogène gazeux stocké sous pression peut être réalisée lorsque la disponibilité d'hydrogène est faible. Une turbine 39 de production d'électricité peut permettre de produire de l'électricité pendant cette période de restitution (cf. [Fig. 2]).
  • Comme illustré notamment aux [Fig. 4] et [Fig. 8], le réfrigérateur 8 assurant le refroidissement de l'hydrogène en vue de sa liquéfaction peut comprendre un réfrigérateur du type à circuit 16 de cycle configuré pour produire de la puissance froide en faisant subir un cycle thermodynamique à un gaz de cycle comprenant par exemple de l'hélium et/ou de l'hydrogène. Le circuit 16 de cycle d'un tel réfrigérateur 8 comprend typiquement un ensemble de compresseurs du gaz de cycle, au moins un organe 13 de refroidissement du gaz de cycle comprimé (un ou plusieurs échangeurs de chaleur) et au moins un organe 15 de détente du gaz de cycle comprimé (vanne(s) et/ou turbine(s)). Dans l'exemple de la [Fig. 8], le circuit 16 de cycle du réfrigérateur est distinct de la conduite 6 d'alimentation. De plus ce circuit 16 de cycle est fermée. Après une compression 11 à température ambiante, le gaz de cycle est refroidi dans un premier ensemble d'échangeur de chaleur 13 (jusqu'à une première température, par exemple de l'ordre de 80K). Le gaz de cycle est ensuite détendu (vanne 15) et produit une puissance froide qui est fournie à la conduite 6 d'alimentation dans un échangeur 14 de chaleur plus froid (typiquement autour de 20K). Le gaz de cycle qui a fourni la puissance froide est renvoyé à la compression et se réchauffe en refroidissant le flux de gaz de cycle qui va être détendu. En retournant à la compression le gaz de cycle refroidit également la conduite 6 d'alimentation en sens inverse (typiquement à contre-courant).
  • Comme illustré, le liquéfacteur 7 peut comprendre au moins un dispositif 12 de pré-refroidissement en échange thermique avec la conduite 6 d'alimentation et le circuit 16 de cycle et configuré pour assurer un pré-refroidissement de l'hydrogène gazeux à une température intermédiaire (80K) avant son refroidissement par le réfrigérateur 8. Ce dispositif 12 de pré-refroidissement comprend par exemple au moins l'un parmi : un cycle de réfrigération à l'azote ou avec un mélange de réfrigération en échange thermique avec un ensemble d'échangeur 13 de pré-refroidissement (par exemple dans une première boîte froide de pré-refroidissement).
  • Dans l'exemple de la [Fig. 4], le gaz de cycle est l'hydrogène (c'est-à-dire de même nature que le gaz à liquéfier). Dans cette configuration, le stockage 9 tampon peut être raccordé au circuit 16 de cycle pour alimenter le circuit 16 de cycle en hydrogène et/ou pour éventuellement être alimenté en hydrogène par le circuit de cycle. C'est-à-dire que le circuit 16 de cycle peut être ouvert.
  • Cette configuration permet de mutualiser des composants de l'installation 1. Ainsi, au moins un compresseur 10 de l'hydrogène gazeux destiné à alimenter le stockage 9 tampon peut être également un compresseur de l'ensemble de compresseur(s) 10, 11 du gaz de cycle (cf. [Fig. 3] ou [Fig. 4]). Ainsi, une partie de la conduite 6 d'alimentation peut constituer également une portion du circuit 16 de cycle.
  • Ceci est illustré également à la [Fig. 4] où le circuit 16 de cycle du réfrigérateur 8 peut être en partie commun avec la conduite 6 d'alimentation. Ainsi, par exemple, en aval d'un échangeur de pré-refroidissement 13, la conduite 6 d'alimentation peut comporter un système 25 de purification cryogénique (du type TSA par exemple) puis un organe 36 de détente (vanne par exemple) de détente en vue de la liquéfaction (refroidissement 14 en dessous de la température critique). En aval, la conduite 6 d'alimentation peut alimenter en hydrogène liquéfié un stockage 18 d'hydrogène liquide.
  • Comme illustré, en aval du dispositif 25 de purification cryogénique de l'hydrogène gazeux à liquéfier, l'installation 1 peut comporter une conduite de dérivation munie d'un organe 15 de détente (vanne par exemple) et raccordé au reste du circuit 16 de cycle. C'est-à-dire que le circuit 16 de cycle, après la compression 11 à température non cryogénique peut comprendre un passage dans la conduite 6 d'alimentation dans lequel le gaz de cycle est pré-refroidi 13 puis purifié 25 puis détendu 15 avant de fournir sa puissance froide à la conduite 6 d'alimentation et de retourner vers la compression 11 (en cédant ses frigories dans les échangeurs de chaleurs en se réchauffant). C'est-à-dire que la pression de compression dans le circuit 16 de cycle et la pression dans la conduite 6 d'alimentation peuvent être réglés au même niveau et ces flux peuvent être mélangés dans une partie de la conduite 6 d'alimentation jusqu'à la sortie du dispositif 25 de purification cryogénique. En aval de cette purification 25 cryogénique, une partie de l'hydrogène est détendu 36 en vue de la liquéfaction tandis qu'une autre partie est utilisée comme gaz de cycle à haute pression.
  • Comme illustré à la [Fig. 3], la conduite 6 d'alimentation peut comporter plusieurs compresseurs 10 disposés en série (et/ou en parallèle) configurés alimenter le stockage 9 tampon et/ou le circuit 16 de cycle en hydrogène comprimé.
  • Par exemple, la compression peut être étagée entre une pression initiale de l'ordre de la pression atmosphérique et un niveau de pression supérieur à 60bar, par exemple supérieure à 100bar notamment supérieur à 200bar pour alimenter le stockage 9 tampon. A la sortie d'un étage de compression intermédiaire (niveau de pression cible, par exemple à 60bar) la conduite 6 d'alimentation alimente par exemple le circuit 16 de cycle du réfrigérateur 8. En aval de cet étage de compression intermédiaire, la conduite 19 de dérivation peut comprimer avec au moins un compresseur 10 supplémentaire l'hydrogène pour alimenter le stockage 9 tampon à une pression qui peut être supérieure.
  • Comme illustré schématiquement à la [Fig. 3], la conduite 29 de restitution peut alimenter (avec détente 39 le cas échéant) la conduite 6 d'alimentation en aval de l'étage de compression intermédiaire. De même, il peut être prévu une conduite 139 permettant au stockage 9 tampon de transférer du fluide à l'entrée de l'étage de compression intermédiaire (ou un étage de compression amont), pour alimenter la conduite 6 d'alimentation plus en amont à une pression plus basse (par exemple lorsque la pression dans le stockage 9 tampon est relativement basse).
  • La pression au sein du stockage 9 tampon peut être variable selon son taux de remplissage entre un niveau maximum déterminé (par exemple 250 bara) et un niveau minimum et par exemple un niveau de pression qui peut être inférieur à la pression cible du circuit de cycle, (compresseur(s) 10 final éteint).
  • Ceci permet d'utiliser le stockage tampon 9 jusqu'à une pression relativement basse, par exemple 5 bara. L'utilisation de toute la pression du stockage 9 tampon permet d'en réduire sa taille (typiquement de 10% à 25% pour la même quantité d'hydrogène stockée).
  • Ainsi, le stockage tampon 9 peut être configuré pour stocker l'hydrogène gazeux jusqu'à une pression de stockage maximale déterminée (par exemple 250 bar) qui est supérieure à la pression cible (par exemple 60bar) mais le stockage 9 tampon peut être configuré pour fournir du gaz à la portion de compression du circuit de cycle (et/ou à la conduite 6 d'alimentation) à la pression cible ou à une pression inférieure à la pression cible. Comme illustrée également à la [Fig. 3], une conduite du circuit de cycle peut renvoyer du gaz de cycle vers la compression (à un étage intermédiaire avec ou sans une compression 11 le cas échéant).
  • Comme illustré schématiquement à la [Fig. 5], un autre utilisateur 26 de l'hydrogène gazeux comprimé peut être reliée en dérivation de la conduite 6 d'alimentation (en parallèle à l'entrée du liquéfacteur et en parallèle du stockage 9 tampon). En outre, une conduite 161 ou boucle supplémentaire avec un compresseur 11 peut être prévue pour alimenter le circuit 16 de cycle en hydrogène à la pression intermédiaire (60bar). De même, une autre conduite 17 de fourniture peut relier le stockage 9 tampon à l'entrée ou à la sortie d'au moins un des compresseur (s) 11 du gaz de cycle et peut être configurée pour permettre de fournir de l'hydrogène gazeux sous pression dans le circuit 16 cycle à un niveau de pression déterminé.
  • Comme illustré schématiquement à la [Fig. 7], l'installation 1 peut comprendre au moins un stockage 18 d'hydrogène liquide relié à une extrémité aval de la conduite 6 d'alimentation sortant du liquéfacteur 7. Le stockage 18 est du type cryogénique et configuré pour collecter l'hydrogène liquéfié par le liquéfacteur 7.
  • L'installation 1 peut comprendre une circuiterie 20 de remplissage raccordée au stockage 18 d'hydrogène liquide et configurée pour permettre le remplissage de réservoir(s) 21, par exemple des réservoirs mobiles (camion de livraison typiquement). L'installation 1 comprend à cet effet un ensemble de conduite(s) 22, 23, 24 de récupération des gaz de vaporisation générés au niveau du stockage 18 d'hydrogène liquide et/ou au niveau de la circuiterie 20 de remplissage (par exemple pour récupérer le gaz de vaporisation des réservoirs 21 à remplir). Cette ensemble de conduite(s) 22, 23, 24 de récupération des gaz de vaporisation est reliée(s) au circuit 6 d'alimentation pour recycler le cas échant le gaz de vaporisation récupéré dans la conduite 6 d'alimentation (le cas échant avec une compression 111) .
  • Ainsi, du gaz de vaporisation à pression intermédiaire peut être récupéré en début de dépressurisation des camions/navires 21, ce gaz de vaporisation peut être mélangé à l'hydrogène de la conduite 6 d'alimentation avec ou sans compresseur 11 intermédiaire selon le niveau de pression.
  • Comme illustré schématiquement à la [Fig. 6], l'installation 1 peut comporter plusieurs liquéfacteurs 7 raccordés en parallèle à la conduite 6 d'alimentation et raccordés également en parallèle au stockage 9 tampon.
  • Les processus décrits ci-dessus et ci-dessous peuvent donc s'appliquer (simultanément ou non) à tout ou partie des liquéfacteurs en parallèle.
  • L'invention permet une adaptation de l'installation aux fluctuations de production (énergie renouvelable intermittente par exemple) avec une intégration offrant un maximum de synergies.

Claims (14)

  1. Installation de production d'hydrogène liquéfié comprenant un générateur (2) d'hydrogène gazeux, par exemple un électrolyseur (2), configuré pour produire de l'hydrogène gazeux, un liquéfacteur (7), une conduite (6) d'alimentation reliant une sortie d'hydrogène gazeux du générateur (2) d'hydrogène gazeux à une entrée du liquéfacteur (7), le liquéfacteur (7) comprenant un réfrigérateur (8) à circuit de cycle configuré pour fournir de la puissance froide et refroidir l'hydrogène gazeux de la conduite (6) d'alimentation en vue de sa liquéfaction, l'installation (1) comprenant au moins un compresseur (10) de l'hydrogène gazeux produit par le générateur (2) d'hydrogène gazeux et un stockage (9) tampon configuré pour stocker l'hydrogène gazeux comprimé entre le générateur (2) d'hydrogène gazeux et le liquéfacteur (7), le stockage (9) tampon étant raccordé à la conduite (6) d'alimentation via un ensemble de conduite(s) (19, 29) de dérivation, c'est-à-dire que le stockage (9) tampon et le liquéfacteur (7) sont raccordés en parallèle à la sortie d'hydrogène gazeux du générateur (2) d'hydrogène gazeux, le réfrigérateur (8) étant du type à circuit (16) de cycle configuré pour produire de la puissance froide en faisant subir un cycle thermodynamique à un gaz de cycle, le circuit (16) de cycle comprenant un ensemble de compresseur(s) (10, 11) du gaz de cycle, au moins un organe (13) de refroidissement du gaz de cycle comprimé et au moins un organe (15) de détente du gaz de cycle comprimé, caractérisée en ce que le gaz de cycle est l'hydrogène et en ce que le stockage (9) tampon est raccordé au circuit (16) de cycle pour alimenter le circuit (16) de cycle en hydrogène et/ou être alimenté en hydrogène par le circuit de cycle.
  2. Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend un compresseur (10) situé sur l'ensemble de conduite(s) (19, 29) de dérivation.
  3. Installation selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que l'ensemble de conduite(s) (19, 29) de dérivation comprend une conduite (29) de restitution configurée pour transférer de l'hydrogène gazeux du stockage (9) tampon vers la conduite (6) d'alimentation.
  4. Installation selon la revendication 3, caractérisée en ce que la conduite (29) de restitution comprend au moins un organe (39) de détente de l'hydrogène gazeux parmi : une vanne de détente, une turbine, une turbine couplée à un générateur de puissance électrique ou à un compresseur pour former un turbocompresseur.
  5. Installation selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que qu'elle comporte au moins un compresseur (10) de l'hydrogène gazeux destiné à alimenter le stockage (9) tampon qui est également un compresseur de l'ensemble de compresseur(s) (10, 11) du gaz de cycle.
  6. Installation selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que la conduite (6) d'alimentation comporte plusieurs compresseurs (10) disposés en série et/ou en parallèle configurés pour alimenter le stockage (9) tampon et/ou le circuit (16) de cycle en hydrogène comprimé.
  7. Installation selon la revendication 6 caractérisée en ce que l'ensemble de compresseur(s) (10, 11) du gaz de cycle comprend plusieurs compresseurs (10, 11) disposés en série et/ou en parallèle, l'installation (1) comprenant une conduite (17) de fourniture reliant le stockage (9) tampon à l'entrée ou à la sortie d'au moins un des compresseur(s) (11) du gaz de cycle et configurée pour permettre de fournir de l'hydrogène gazeux sous pression dans le circuit (16) de cycle.
  8. Installation selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce qu'elle comporte plusieurs liquéfacteurs (7) raccordés en parallèle à la conduite (6) d'alimentation et raccordés également en parallèle au stockage (9) tampon.
  9. Installation selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce qu'elle comprend un ensemble de stockage(s) (18) d'hydrogène liquide relié(s) à une extrémité de la conduite (6) d'alimentation sortant du liquéfacteur (7) et configuré(s) pour collecter l'hydrogène liquéfié par le liquéfacteur (7), l'installation (1) comprenant en outre une circuiterie (20) de remplissage raccordée à l'ensemble de stockage(s) (18) d'hydrogène liquide et configuré pour permettre le remplissage de réservoir(s) (21), l'installation (1) comprenant un ensemble de conduite(s) (22, 23, 24) de récupération des gaz de vaporisation générés au niveau de l'ensemble de stockage(s) (18) d'hydrogène liquide et/ou au niveau de la circuiterie (20) de remplissage, l'ensemble de conduite(s) (22, 23, 24) de récupération des gaz de vaporisation étant reliée(s) au circuit (6) d'alimentation.
  10. Procédé de production d'hydrogène liquéfié utilisant une installation selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il comporte une étape de fourniture d'hydrogène gazeux comprimé au stockage (9) tampon lorsque le générateur d'hydrogène gazeux (2) produit une quantité d'hydrogène supérieure à un premier seuil et une étape d'alimentation de la conduite d'alimentation (6) avec d'hydrogène gazeux comprimé à partir du stockage (9) tampon lorsque le générateur d'hydrogène gazeux (2) produit une quantité d'hydrogène inférieure à premier un second seuil.
  11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il comporte une étape d'utilisation d'hydrogène comprimé fourni par la conduite (6) d'alimentation et/ou le stockage (9) tampon pour alimenter une portion de compression d'un circuit de cycle à hydrogène du réfrigérateur (8) du liquéfacteur (7).
  12. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'il comporte une étape de compression de l'hydrogène gazeux dans la conduite d'alimentation (6) à une pression cible déterminée, par exemple égale à 60bar, et en ce que le niveau de compression final de la portion de compression du circuit de cycle est égal à cette pression cible.
  13. Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que le stockage (9) tampon est configuré pour stocker l'hydrogène gazeux jusqu'à une pression de stockage maximale déterminée qui est supérieure à la pression cible, le stockage (9) tampon étant configuré pour fournir du gaz à la portion de compression du circuit de cycle à la pression cible ou à une pression inférieure à la pression cible.
  14. Procédé selon l'une quelconque des revendication 10 à 13, caractérisé en ce qu'il comporte une étape de stockage, dans un stockage(s) (18) d'hydrogène liquide, d'hydrogène liquide produit par l'installation (1) et éventuellement une étape de remplissage de réservoir(s) (21) avec de l'hydrogène liquide du stockage (18) d'hydrogène liquide, le procédé comprenant une étape de récupération de gaz de vaporisation générés au cours de l'étape de stockage et/ou au cours de l'étape de remplissage et une étape de recyclage du gaz de vaporisation récupéré dans la conduite (6) d'alimentation.
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