FR2989147A1 - Procede et dispositif de remplissage d'un reservoir de gaz sous pression - Google Patents

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Abstract

Procédé et dispositif de remplissage d'un réservoir (1) de gaz sous pression comprenant un transfert d'une quantité (Q) déterminée de gaz dans le réservoir (1) à partir d'au moins une source (2) de gaz sous pression via une conduite (3) de remplissage, le gaz étant sélectivement refroidi par un organe (5) de refroidissement avant son entrée dans le réservoir (1) pour éviter d'atteindre, au niveau du réservoir (1), une température limite (Tc) déterminée, caractérisé en ce que le procédé comporte une étape détermination de la quantité limite d'énergie qui peut être introduite dans le réservoir (1) sans dépasser la température limite (Tc), cette quantité limite d'énergie étant exprimée sous la forme de l'enthalpie limite (Hmax) introduite dans le réservoir (1), une étape de détermination de la quantité d'énergie effective introduite dans le réservoir (1) lors du transfert du transfert de gaz dans le réservoir (1) sans refroidissement exprimée sous la forme de l'enthalpie introduite (HO), le refroidissement du gaz par l'organe (5) de refroidissement étant contrôlé pour retirer sélectivement une quantité de chaleur au gaz transféré dans le réservoir (1) correspondant au moins à la fraction de l'enthalpie (HO) introduite qui excède l'enthalpie limite (Hmax).

Description

La présente invention concerne un procédé et un dispositif de remplissage. L'invention concerne plus particulièrement un procédé de remplissage d'un réservoir de gaz sous pression comprenant un transfert d'une quantité déterminée de gaz dans le réservoir à partir d'au moins une source de gaz sous pression via une conduite de remplissage, le gaz étant sélectivement refroidi par un organe de refroidissement avant son entrée dans le réservoir pour éviter d'atteindre, au niveau du réservoir, une température limite déterminée. Le remplissage rapide d'un réservoir avec de l'hydrogène gazeux sous pression produit une accumulation de chaleur dans le réservoir (principalement du fait de la compression du gaz lors du remplissage). Cette accumulation de chaleur produit un échauffement du réservoir qui peut atteindre ou excéder la température limite (Tc) au-delà de la quelle le réservoir perd ses propriété mécaniques de tenue à la pression (par exemple 85°C pour un réservoir composite). Pour éviter cela, il est connu de pré-refroidir le gaz avant son entrée dans le réservoir. Plus la température initiale du gaz introduit est élevée, plus ce pré-refroidissement doit être important. Un problème posé par cette solution est qu'il est relativement difficile : - d'évaluer précisément le besoin de refroidissement, - d'appliquer le refroidissement requis de façon continue, et - de vérifier que le refroidissement requis a bien été réalisé. Une solution connue consiste à définir une température à laquelle le gaz doit être refroidi avant son entrée dans le réservoir pendant tout le processus de remplissage. Par exemple, le document normatif SAE TIR J2601 précise que, pour des remplissages rapides (n'excédant pas cinq minutes) et à des pressions finales de 35MPa à 70MPa, l'hydrogène gazeux doit être pré-refroidi à une température comprise entre -40°C et -33°C pendant toute la durée du remplissage. Ces températures de pré-refroidissement ont été choisies via des modèles de prédiction de température, pour éviter que la température de gaz n'excède 85°C dans le réservoir en fin de remplissage. Cette solution présente cependant les inconvénients suivants : - l'intensité du refroidissement est généralement surestimée pour convenir à tous les réservoirs susceptibles d'être ravitaillée, cette surestimation est encore augmentée lorsque la température limite s'applique au gaz dans le réservoir et non aux parois du réservoir lui-même, - la quantité frigories qui doit être transférée au gaz pour réaliser une température de pré-refroidissement constante pendant tout le processus de remplissage varie significativement, ceci conduit une utilisation peu efficace de la puissance frigorifique exigée, - maintenir avec fiabilité une température d'hydrogène comprise entre -40°C et -33°C pendant tout le remplissage est relativement complexe et coûteux car ces températures s'approchent de la limite des températures qui peuvent être réalisées industriellement à grande échelle, - les joints en élastomère de l'installation de remplissage risquent de se détériorer à ces niveaux bas de température, d'autres composants ne doivent d'ailleurs pas être exposés à des températures inférieures à -40°C, - de telles températures basses produisent du givre sur le matériel qui nuit au bon fonctionnement de l'installation. Un but de la présente invention est de pallier tout ou partie des inconvénients de l'art antérieur relevés ci-dessus. A cette fin, le procédé selon l'invention, par ailleurs conforme à la définition générique qu'en donne le préambule ci-dessus, est essentiellement caractérisé en ce que le procédé comporte une étape détermination de la quantité limite d'énergie qui peut être introduite dans le réservoir sans dépasser la température limite, cette quantité limite d'énergie étant exprimée sous la forme de l'enthalpie limite introduite dans le réservoir, une étape de détermination de la quantité d'énergie effective introduite dans le réservoir lors du transfert du transfert de gaz dans le réservoir sans refroidissement exprimée sous la forme de l'enthalpie introduite, le refroidissement du gaz par l'organe de refroidissement étant contrôlé pour retirer sélectivement une quantité de chaleur au gaz transféré dans le réservoir correspondant au moins à la fraction de l'enthalpie introduite qui excède l'enthalpie limite.
Par ailleurs, des modes de réalisation de l'invention peuvent comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - la quantité limite d'énergie exprimée sous la forme de l'enthalpie limite correspond à la quantité limite d'énergie qui peut être introduite dans le réservoir pour que le réservoir lui-même ne dépasse pas la température limite, - la quantité limite d'énergie exprimée sous la forme de l'enthalpie limite correspond à la quantité limite d'énergie qui peut être introduite dans le réservoir pour que le gaz contenu dans le réservoir ne dépasse pas la température limite, - la quantité limite d'énergie exprimée sous la forme de l'enthalpie limite est calculée au préalable ou définie préalablement au remplissage de façon expérimentale pour le type de réservoir considéré en fonction de l'un au moins des paramètres suivants : la température initiale du gaz dans le réservoir, la température ambiante autour du réservoir, la température initiale du réservoir, des caractéristiques structurelles, des caractéristiques structurelles thermiques et géométriques du réservoir, la vitesse de remplissage du réservoir, la pression initiale dans le réservoir; l'enthalpie limite étant calculée via une fonction d'état connue pour le gaz en fonction de la pression et de la température du gaz, la valeur de cette enthalpie limite étant définie en fonction de la température correspondante maximale atteinte expérimentalement au niveau du réservoir, - l'étape de détermination de la quantité d'énergie effective introduite dans le réservoir lors exprimée sous la forme de l'enthalpie introduite est calculée en fonction de l'un au moins des paramètres suivants : la température ambiante autour du réservoir, la vitesse de remplissage du réservoir, la quantité de gaz introduit dans le remplissage, la pression dans le réservoir, la température mesurée ou calculée dans le réservoir, le débit massique de gaz au niveau de l'entrée du réservoir, l'enthalpie introduite étant calculée via une fonction d'état connue pour le gaz en fonction de la pression et de la température du gaz, - la valeur de l'enthalpie limite du réservoir est une fonction décroissante de la température initiale du gaz du réservoir et l'enthalpie introduite est une fonction croissante de la température initiale du gaz de la source, un refroidissement sélectif du gaz par l'organe de refroidissement étant réalisé lors d'un remplissage au-delà d'un niveau de température initiale correspondant aux conditions initiales où coïncident l'enthalpie limite et l'enthalpie introduite, - le refroidissement du gaz par l'organe de refroidissement est contrôlé pour retirer sélectivement une quantité de chaleur au gaz transféré dans le réservoir correspondant uniquement à la fraction de l'enthalpie introduite qui excède l'enthalpie limite, - la source de gaz comprend un organe de compression de gaz transfert alimentant directement le réservoir via la conduite de remplissage, - la source de gaz comprend un stockage de gaz à une pression comprise entre 200 et 1000bar, la conduite de remplissage comprenant un organe de contrôle du débit du gaz transféré vers le réservoir, L'invention concerne également un dispositif de remplissage d'un réservoir de gaz comprenant une source de gaz sous pression, une conduite de remplissage pour transférer le gaz de la source vers le réservoir, un organe de refroidissement sélectif du gaz avant son entrée dans le réservoir pour éviter d'atteindre, au niveau du réservoir, une température limite déterminée, une logique électronique de contrôle reliée à l'organe de refroidissement, la logique étant configurée pour stocker une information représentative de la quantité limite d'énergie qui peut être introduite dans le réservoir sans dépasser la température limite dans le réservoir, cette quantité limite d'énergie étant exprimée sous la forme de l'enthalpie limite (Hmax) introduite dans le réservoir, la logique étant configurée pour déterminer la quantité d'énergie effective introduite dans le réservoir lors du transfert du transfert de gaz dans le réservoir sans refroidissement exprimée sous la forme de l'enthalpie introduite, la logique étant configurée pour piloter le refroidissement du gaz par l'organe de refroidissement pour retirer sélectivement une quantité de chaleur au gaz transféré dans le réservoir correspondant au moins à la fraction de l'enthalpie introduite (HO) qui excède l'enthalpie limite.
L'invention peut concerner également tout dispositif ou procédé alternatif comprenant toute combinaison des caractéristiques ci-dessus ou ci-dessous. D'autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description ci-après, faite en référence aux figures dans lesquelles : - la figure 1 représente une vue schématique et partielle illustrant un exemple de structure et de fonctionnement d'un dispositif de remplissage selon une réalisation possible de l'invention, - la figure 2 illustre de façon schématique les courbes d'enthalpie limite et d'enthalpie introduite au cours du remplissage dans un réservoir en fonction des conditions de température initiale, illustrant le principe de fonctionnement de l'invention. Le dispositif de remplissage illustré à titre d'exemple schématique à la figure 1 comprend, classiquement, une source 2 de gaz sous pression, par 5 exemple un stockage d'hydrogène gazeux à une pression de 700 à 1000bar et une conduite 3 de remplissage pour transférer le gaz de la source 2 vers le réservoir 1. La conduite peut comprendre un organe 4 de régulation du flux de gaz transféré de la source vers le réservoir 1, par exemple une vanne 4, de préférence commandée. Alternativement ou cumulativement, la source peut comprendre un 10 compresseur. Le dispositif comprend un organe 5 de refroidissement sélectif du gaz avant son entrée dans le réservoir 1, par exemple un échangeur de chaleur relié à une boucle froide de liquide caloporteur puisant des frigories auprès d'une source froide (par exemple une réserve d'azote à température cryogénique). Bien 15 entendu, tout autre organe de refroidissement peut être prévu. Le dispositif comprend par ailleurs une logique 6 électronique de contrôle reliée à l'organe 5 de refroidissement pour contrôler ce dernier. La logique 6 peut être reliée également à l'un au moins parmi : l'organe 4 de régulation (en vue de son pilotage), un capteur de température ambiante Tamb, un capteur 7 de 20 pression dans le réservoir 1 (mesurée par exemple à l'entrée du réservoir 1, au niveau de la conduite 3 de remplissage), un capteur de température dans le réservoir 1, un capteur de température du gaz au niveau de la conduite 3 de remplissage en aval de l'organe 4 de régulation, un organe de mesure de débit massique du gaz en aval de l'organe de régulation, un capteur 8 de température 25 du gaz dans la conduite 3 de remplissage et/ou au niveau de la source 2, un capteur de pression du gaz au niveau de la source 2. La logique 6 électronique (qui comprend par exemple au moins un microprocesseur) contrôle le remplissage et notamment le pré-refroidissement du gaz via l'organe 5 de refroidissement de façon à éviter un échauffement excessif 30 du réservoir 1 au cours du remplissage et notamment en fin de remplissage. En particulier, la logique 6 électronique contrôle le pré-refroidissement pour éviter d'atteindre au niveau du réservoir 1, une température limite Tc déterminée, par exemple 85°C pour un réservoir composite.
A cet effet, la logique 6 est configurée pour recevoir ou stocker dans une mémoire une information représentative de la quantité limite d'énergie qui peut être introduite dans le réservoir 1 sans dépasser la température limite Tc dans le réservoir 1. Cette quantité limite d'énergie est exprimée préférentiellement sous la forme d'une valeur d'enthalpie Hmax limite introduite dans le réservoir 1. Par exemple, dans le cas d'une station de remplissage, un système de communication par fil ou sans fil peut permettre le transfert de cette information caractéristique du réservoir 1 vers la station de remplissage. La logique 6 est configurée pour déterminer la quantité d'énergie effective introduite dans le réservoir 1 lors du transfert du transfert de gaz dans le réservoir 1 sans refroidissement exprimée sous la forme de l'enthalpie HO introduite. Sur la base de ces deux grandeurs, la logique 6 pilote le refroidissement du gaz par l'organe 5 de refroidissement pour retirer sélectivement une quantité de chaleur au gaz transféré dans le réservoir 1 correspondant au moins à la fraction de l'enthalpie HO introduite qui excède l'enthalpie Hmax limite. C'est-à-dire que le remplissage selon l'invention détermine la quantité de frigories nécessaires pour refroidir le gaz afin d'éviter un échauffement excessif. Cette quantité de frigorie est donnée par la quantité d'énergie (enthalpie) exprimée ci-dessus.
L'enthalpie limite Hmax dépend des caractéristiques structurelles et géométriques du réservoir 1 et éventuellement des conditions de remplissage (telles que la vitesse de remplissage par exemple). L'enthalpie introduite HO reflète la quantité d'énergie introduite dans le réservoir lors du remplissage (sans pré-refroidissement).
En effet, il y a une limite de quantité de chaleur (calories), c'est-à-dire d'enthalpie, qui peut être introduite dans un réservoir 1 sans excéder une température limite Tc. Pour un type donné de réservoir 1, cette enthalpie limite Hmax dépend de la température initiale (température ambiante ou température mesurée dans le réservoir).
Cette enthalpie limite Hmax peut être déterminée au préalable pour le type de réservoir 1 via des modélisations validées par des essais expérimentaux. Par exemple, sont utilisées les lois physiques régissant l'échange de la chaleur entre le gaz chauffé dans le réservoir et la paroi du réservoir (dans le cas d'un réservoir composite muni d'un enroulement filamentaire, la paroi comporte typiquement deux couches : une enveloppe interne appelée liner et la structure en matériau composite extérieure). Cette enthalpie limite Hmax est déterminée de préférence pour éviter que cette température limite Tc ne soit atteinte au niveau du réservoir (lui-même) cependant, bien entendu, cette limite Hmax peut être déterminée pour éviter que cette température limite Tc ne soit atteinte par le gaz dans le réservoir (au lieu du réservoir lui-même). Dans le second cas cependant, le besoin en refroidissement sera augmenté par rapport au premier cas.
L'enthalpie HO introduite lors du remplissage pour un type donné de réservoir est elle-même fonction des conditions initiales de température et de pression du gaz au niveau de la source 2 et du mode de transfert (par différence de pression ou au moyen d'un compresseur). En conséquence, pour un réservoir de type donné, le pré-refroidissement est nécessaire au-delà d'un certain niveau de température initiale dans le réservoir 1 et dans la source 2. à partir duquel l'enthalpie introduite HO devient supérieure à l'enthalpie limite Hmax. Bien entendu, les températures initiales du gaz dans le réservoir 1 et dans la source 2 peuvent être différentes. Ceci est illustré schématiquement à la figure 2. dans l'exemple simplifié de la figure 2 il y est fait l'hypothèse que les températures initiales dans le réservoir 1 et dans la source 2 sont identiques. L'enthalpie Hmax limite décroît, par exemple linéairement, lorsque croît la température initial TO du gaz dans le réservoir 1. De même, l'enthalpie HO introduite est une fonction croissante, par exemple linéairement, lorsque cette même température initial TO du gaz croît.
Ainsi, il n'y a pas de risque d'excéder la température limite Tc tant que l'enthalpie introduite HO ne dépasse pas l'enthalpie Hmax limite. Ceci se produit en dessous d'une température initiale TL à partir de laquelle un refroidissement F correspondant à la différence de ces enthalpies HO-Hmax doit être réalisé (cf. figure 2) La valeur de l'enthalpie HO qui serait introduite sans refroidissement peut être facilement déterminée a priori. Dans le cas d'un transfert par différence de pression à travers une vanne 4 de contrôle, cette enthalpie HO introduite correspond à l'enthalpie de la quantité de gaz à introduire dans les conditions de température et de pression de la source 2. La valeur de l'enthalpie effectivement introduite avec refroidissement peut être déterminée en temps réel en calculant l'enthalpie via les paramètres mesurés de pression P et de température T et de débit massique au niveau de l'entrée du réservoir 1. En effet l'enthalpie est une fonction d'état connu pour le gaz en fonction de la pression P et de la température T. Ceci permet de contrôler précisément le refroidissement et de vérifier après coup que la quantité de frigories requises à bien été transférée au gaz.
Ce mode de remplissage permet ainsi de réduire les exigences quantitatives en terme de pré-refroidissement du gaz. En effet, le calcul de l'enthalpie limite Hmax peut être réalisé pour refléter la température limite au niveau du réservoir (au lieu du gaz dans le réservoir). Ceci permet de réduire les besoins en froid du fait du décalage de température observé entre le réservoir et la température du gaz dans le réservoir, cette dernière étant généralement plus élevée. De plus cette méthode permet d'adapter la quantité de refroidissement nécessaire au besoin selon les caractéristiques du réservoir 1 à remplir et ses conditions initiales (pression, température).
Ceci permet de réaliser des économies d'énergie et de coûts de l'installation. Cette technique permet également de prévoir des améliorations, par exemple une augmentation contrôlée de la température en fin de remplissage pour chauffer la buse de remplissage pour le confort de l'utilisateur et diminuer les risques de givre.

Claims (10)

  1. REVENDICATIONS1. Procédé de remplissage d'un réservoir (1) de gaz sous pression comprenant un transfert d'une quantité (Q) déterminée de gaz dans le réservoir (1) à partir d'au moins une source (2) de gaz sous pression via une conduite (3) de remplissage, le gaz étant sélectivement refroidi par un organe (5) de refroidissement avant son entrée dans le réservoir (1) pour éviter d'atteindre, au niveau du réservoir (1), une température limite (Tc) déterminée, caractérisé en ce que le procédé comporte une étape détermination de la quantité limite d'énergie qui peut être introduite dans le réservoir (1) sans dépasser la température limite (Tc), cette quantité limite d'énergie étant exprimée sous la forme de l'enthalpie limite (Hmax) introduite dans le réservoir (1), une étape de détermination de la quantité d'énergie effective introduite dans le réservoir (1) lors du transfert du transfert de gaz dans le réservoir (1) sans refroidissement exprimée sous la forme de l'enthalpie introduite (HO), le refroidissement du gaz par l'organe (5) de refroidissement étant contrôlé pour retirer sélectivement une quantité de chaleur au gaz transféré dans le réservoir (1) correspondant au moins à la fraction de l'enthalpie (HO) introduite qui excède l'enthalpie limite (Hmax).
  2. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la quantité limite d'énergie exprimée sous la forme de l'enthalpie limite (Hmax) correspond à la quantité limite d'énergie qui peut être introduite dans le réservoir (1) pour que le réservoir lui-même ne dépasse pas la température limite (Tc).
  3. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la quantité limite d'énergie exprimée sous la forme de l'enthalpie limite (Hmax) correspond à la quantité limite d'énergie qui peut être introduite dans le réservoir (1) pour que le gaz contenu dans le réservoir (1) ne dépasse pas la température limite (Tc).
  4. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la quantité limite d'énergie exprimée sous la forme de l'enthalpie limite (Hmax) est calculée au préalable ou définie préalablement au remplissage de façon expérimentale pour le type de réservoir (1)considéré en fonction de l'un au moins des paramètres suivants : la température initiale (TO) du gaz dans le réservoir, la température ambiante autour du réservoir (Tamb), la température initiale du réservoir, des caractéristiques structurelles, des caractéristiques structurelles thermiques et géométriques du réservoir (1), la vitesse de remplissage du réservoir (1), la pression initiale dans le réservoir (1) ; l'enthalpie limite (Hmax) étant calculée via une fonction d'état connue pour le gaz en fonction de la pression (P) et de la température (T) du gaz, la valeur de cette enthalpie limite (Hmax) étant définie en fonction de la température correspondante maximale atteinte expérimentalement au niveau du réservoir (1).
  5. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'étape de détermination de la quantité d'énergie effective introduite dans le réservoir (1) lors exprimée sous la forme de l'enthalpie introduite (HO) est calculée en fonction de l'un au moins des paramètres suivants : la température ambiante autour du réservoir (Tamb), la vitesse de remplissage du réservoir (1), la quantité de gaz introduit dans le remplissage, la pression dans le réservoir (P), la température mesurée ou calculée dans le réservoir, le débit massique de gaz au niveau de l'entrée du réservoir (1), l'enthalpie introduite (HO) étant calculée via une fonction d'état connue pour le gaz en fonction de la pression (P) et de la température (T) du gaz.
  6. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la valeur de l'enthalpie limite (Hmax) du réservoir (1) est une fonction décroissante de la température initiale (TO) du gaz du réservoir (1) et l'enthalpie introduite (HO) est une fonction croissante de la température initiale (T02) du gaz de la source (2), un refroidissement sélectif du gaz par l'organe (5) de refroidissement étant réalisé lors d'un remplissage au-delà d'un niveau de température initiale correspondant aux conditions initiales où coïncident l'enthalpie limite (Hmax) et l'enthalpie introduite (HO).
  7. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le refroidissement du gaz par l'organe (5) de refroidissement est contrôlé pour retirer sélectivement une quantité dechaleur au gaz transféré dans le réservoir (1) correspondant uniquement à la fraction de l'enthalpie introduite (HO) qui excède l'enthalpie limite (Hmax).
  8. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la source (2) de gaz comprend un organe de compression de gaz transfert alimentant directement le réservoir (1) via la conduite (3) de remplissage.
  9. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la source (2) de gaz comprend un stockage de gaz à une pression comprise entre 200 et 1000bar, la conduite (3) de remplissage comprenant un organe (4) de contrôle du débit du gaz transféré vers le réservoir.
  10. 10. Dispositif de remplissage d'un réservoir (1) de gaz comprenant une source (2) de gaz sous pression, une conduite (3) de remplissage pour transférer le gaz de la source (2) vers le réservoir (1), un organe (5) de refroidissement sélectif du gaz avant son entrée dans le réservoir (1) pour éviter d'atteindre, au niveau du réservoir (1), une température limite (Tc) déterminée, une logique (6) électronique de contrôle reliée à l'organe (5) de refroidissement, caractérisé en ce que la logique (6) est configurée pour stocker une information représentative de la quantité limite d'énergie qui peut être introduite dans le réservoir (1) sans dépasser la température limite (Tc) dans le réservoir, cette quantité limite d'énergie étant exprimée sous la forme de l'enthalpie limite (Hmax) introduite dans le réservoir (1), la logique (6) étant configurée pour déterminer la quantité d'énergie effective introduite dans le réservoir (1) lors du transfert du transfert de gaz dans le réservoir (1) sans refroidissement exprimée sous la forme de l'enthalpie introduite (HO), la logique étant configurée pour piloter le refroidissement du gaz par l'organe (5) de refroidissement pour retirer sélectivement une quantité de chaleur au gaz transféré dans le réservoir (1) correspondant au moins à la fraction de l'enthalpie introduite (HO) qui excède l'enthalpie limite (Hmax).30
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