FR3061533A1 - Station et procede de ravitaillement en gaz sous pression - Google Patents

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Abstract

Station et procédé de ravitaillement en gaz sous pression, notamment pour le ravitaillement en hydrogène gazeux de réservoirs de véhicules, comprenant un stockage source (2) destiné à contenir du gaz liquéfié, un circuit fluidique comprenant un ensemble de vannes (12, 13, 16, 17, 18, 19) et une conduite (3) de prélèvement, la conduite (3) de prélèvement comprenant une extrémité amont reliée au stockage (2) source pour prélever du gaz liquéfié et une extrémité aval destinée à être raccordée avec au moins un récepteur de gaz sous pression, la conduite (3) de prélèvement comprenant un système (4) de vaporisation du gaz liquéfié prélevé dans le stockage source (2) pour fournir du gaz sous pression au niveau de l'extrémité aval de la conduite (3) de prélèvement, caractérisée en ce que le système (4) de vaporisation comprend au moins un récipient (5) rigide destiné à stocker du liquide provenant du réservoir (2) source et un organe (6) de réchauffage du contenu du récipient (5), pour vaporiser le gaz liquéfié dans le récipient (5) à volume constant et augmenter ainsi sa pression.

Description

© Mandataire(s) : L'AIR LIQUIDE.
© STATION ET PROCEDE DE RAVITAILLEMENT EN GAZ SOUS PRESSION.
FR 3 061 533 - A1 (57) station et procédé de ravitaillement en gaz sous pression, notamment pour le ravitaillement en hydrogène gazeux de réservoirs de véhicules, comprenant un stockage source (2) destiné à contenir du gaz liquéfié, un circuit fluidique comprenant un ensemble de vannes (12, 13, 16, 17, 18, 19) et une conduite (3) de prélèvement, la conduite (3) de prélèvement comprenant une extrémité amont reliée au stockage (2) source pour prélever du gaz liquéfié et une extrémité aval destinée à être raccordée avec au moins un récepteur de gaz sous pression, la conduite (3) de prélèvement comprenant un système (4) de vaporisation du gaz liquéfié prélevé dans le stockage source (2) pour fournir du gaz sous pression au niveau de l'extrémité aval de la conduite (3) de prélèvement, caractérisée en ce que le système (4) de vaporisation comprend au moins un récipient (5) rigide destiné à stocker du liquide provenant du réservoir (2) source et un organe (6) de réchauffage du contenu du récipient (5), pour vaporiser le gaz liquéfié dans le récipient (5) à volume constant et augmenter ainsi sa pression.
Figure FR3061533A1_D0001
Figure FR3061533A1_D0002
L’invention concerne une station et un procédé de ravitaillement en gaz sous pression.
L’invention concerne plus particulièrement une station de ravitaillement en gaz sous pression, notamment pour le ravitaillement en hydrogène gazeux de réservoirs de véhicules, comprenant un stockage source destiné à contenir du gaz liquéfié, un circuit fluidique comprenant un ensemble de vannes et une conduite de prélèvement, la conduite de prélèvement comprenant une extrémité amont reliée au stockage source pour prélever du gaz liquéfié et une extrémité aval destinée à être raccordée avec au moins un récepteur de gaz sous pression, la conduite de prélèvement comprenant un système de vaporisation du gaz liquéfié prélevé dans le stockage source pour fournir du gaz sous pression au niveau de l’extrémité aval de la conduite de prélèvement.
L’invention concerne les procédés et dispositifs de remplissage de réservoirs de gaz sous.
L’invention concerne en particulier la production de gaz sous pression à partir d’une source cryogénique en phase liquide.
Un tel dispositif est par exemple décrit dans le document EP2095009A1.
Ces systèmes de compression utilisent des compresseurs ou de pompes cryogéniques élevant la pression d’un volume de liquide avant de le diriger vers un échangeur thermique (vaporiseur) en vue de le transférer dans des bouteilles ou des réservoirs sous pression.
L’efficacité thermodynamique limitée de tels systèmes rend la pressurisation de gaz à plus haute pression coûteuse en énergie. De plus, les contraintes sur les parties mobiles des installations de mise sous pression augment de manière exponentielle leur prix en fonction de la pression à atteindre.
Un but de la présente invention est de pallier tout ou partie des inconvénients de l’art antérieur relevés ci-dessus.
A cette fin, la station selon l'invention, par ailleurs conforme à la définition générique qu’en donne le préambule ci-dessus, est essentiellement caractérisée en ce que le système de vaporisation comprend au moins un récipient rigide destiné à stocker du liquide provenant du réservoir source et un organe de réchauffage du contenu du récipient, pour vaporiser le gaz liquéfié dans le récipient à volume constant et augmenter ainsi sa pression.
Ainsi, pour atteindre les pressions de remplissage habituelles 200 à 1000 bar ou même des pressions plus élevées, il est proposé d’utiliser l’énergie thermique d’un milieu extérieur sans avoir recours à un apport d’énergie mécanique.
Par ailleurs, des modes de réalisation de l’invention peuvent comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :
- le récipient est isolé thermiquement,
- l’organe de réchauffage comprend un échangeur thermique en échange thermique avec un fluide caloporteur de réchauffage,
- l’échangeur thermique est situé à l’intérieur du récipient, c’est-à-dire en contact avec le fluide à vaporiser,
- la station comprend une conduite d’évacuation de gaz en excès dans le récipient avant ou pendant son remplissage avec du liquide,
- la conduite de prélèvement comprenant au moins un stockage tampon destiné à stocker du gaz sous pression produit par le récipient,
- la conduite de prélèvement comprenant plusieurs stockages tampon raccordés en parallèle à la conduite de prélèvement et à au moins un raccord destiné à être relié à un réservoir à remplir pour permettre un remplissage du réservoir à partir de stockages tampon utilisés « en cascade »,
- la conduite de prélèvement comprend un réchauffeur du gaz produit par le récipient situé entre le récipient et l’extrémité aval de la conduite de prélèvement,
L’invention concerne également un procédé de ravitaillement d’au moins un réservoir en gaz sous pression, notamment en hydrogène gazeux, le procédé utilisant une station selon l’une quelconque des caractéristiques ci-dessus ou cidessous, le procédé comprenant :
- une étape de transfert de liquide du stockage source vers l’intérieur du récipient,
- une étape d’isolation fluidique du récipient par rapport au reste du circuit,
- une étape de réchauffage du liquide situé dans le récipient pour produire du gaz à haute pression,
- une étape de transfert du gaz sous pression produit dans le récipient vers l’extrémité aval de la conduite de prélèvement.
Selon d’autres particularités possibles :
- l’étape de transfert du gaz sous pression produit dans le récipient vers l’extrémité aval de la conduite de prélèvement comprend un réchauffage du gaz sous pression,
- l’étape de transfert de liquide du stockage source vers l’intérieur du récipient est réalisée par pompage ou transfert par gravimétrie et/ou différentiel de pression entre le stockage source et le récipient,
- le procédé comporte une étape de récupération de frigories du gaz liquéfié prélevé du stockage source et une étape d’utilisation de ces frigories récupérées pour refroidi le gaz sous pression en aval du récipient.
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 à la figure unique qui représente une vue schématique et simplifiée illustrant un exemple de structure et de fonctionnement d’un dispositif de ravitaillement en gaz sous pression selon l’invention.
La station 1 de ravitaillement illustrée comprend au moins un stockage source 2 destiné à contenir du gaz liquéfié et un circuit fluidique comprenant un ensemble de vannes 12, 13, 16, 17, 18, 19 et de conduites dont au moins une conduite 3 de prélèvement.
Le stockage source 2 peut comprendre un réservoir cryogénique isolé sous vide (éventuellement sous pression, par exemple 15 à 30 bar).
La conduite 3 de prélèvement comprend une extrémité amont reliée au stockage 2 source pour prélever du gaz liquéfié et une extrémité aval destinée à être raccordée en aval avec au moins un récepteur de gaz sous pression.
La conduite 3 de prélèvement comprend un système 4 de vaporisation du gaz liquéfié prélevé dans le stockage source 2 pour fournir du gaz sous pression au niveau de l’extrémité aval de la conduite 3 de prélèvement.
Ce système 4 de vaporisation comprend au moins un récipient 5 rigide (deux récipients 5 raccordés en parallèle dans l’exemple de la figure) et un organe 6 de réchauffage du contenu du récipient 5, pour vaporiser le gaz liquéfié dans récipient 5 à volume constant (récipient clos) et augmenter ainsi sa pression
Chaque récipient 5 est donc destiné à stocker du liquide provenant du réservoir 2 source.
Comme illustré, le transfert de liquide du stockage source 2 vers l’intérieur du récipient 5 peut être réalisé via une pompe 20 et/ou par transfert gravimétrie et/ou par différentiel de pression entre le stockage source 2 et le récipient 5. Au moins une vanne 12, 13 peut être prévue pour contrôler le débit.
Une quantité de liquide cryogénique contenue dans un récipient 5 de volume fixe est réchauffée en vue de sa vaporisation. Du fait que le récipient 5 est clos (vannes correspondantes du circuit fermées) la pression va augmenter.
De préférence, le flux thermique entre l’intérieur du récipient 5 est maîtrisé et la pression à l’intérieur du récipient 5 est contrôlée et limitée en dessous d’un seuil déterminé.
De préférence, ce récipient 5 de vaporisation est isolé thermiquement de l’extérieur (isolation thermique ou sous vide et/ou tout autre type d’isolation).
Comme illustré, l’organe 6 de réchauffage peut comprendre un échangeur thermique en échange thermique avec un fluide caloporteur de réchauffage.
Par exemple, un ou plusieurs serpentins formant un échangeur thermique sont placés à l’intérieur du volume de stockage du récipient 5. Alternativement ou cumulativement ce réchauffage peut être placé à l’extérieur (réchauffage du récipient 5 sans contact avec son contenu).
De préférence, des tuyauteries du circuit permettent uniquement le transfert de liquide vers l’extérieur du récipient, la sortie de gaz sous pression du récipient 5 et la circulation d’un fluide caloporteur pour réchauffer ce fluide.
Initialement, l’intérieur du récipient 5 peut être à une pression inferieure à la pression du stockage 2 source (par exemple pour permettre un remplissage par gravimétrie).
Le gaz en surpression présent dans le récipient 5 avant réchauffage ou se formant lors de son remplissage peut être évacué vers l’extérieur (recyclé vers le stockage source 2 ou par ailleurs). Par exemple ce gaz peut éventuellement être renvoyé dans le stockage 2 source via avec un système thermosiphon et/ou via un système de refroidissement/reliquéfaction. Par exemple, une conduite 7 d’évacuation peut renvoyer du gaz vers le réservoir (avec le cas échéant un système de reliquéfaction).
Ce gaz peut être utilisé le cas échéant pour des applications basses pressions (consommation sur site et/ pour le remplissage de réservoirs basse pression).
Une fois le récipient 5 rempli de manière adéquate de liquide, les canalisations de remplissage et vidange sont fermées (via la commande appropriée des vannes correspondantes).
Un fluide caloporteur peut être mis en circulation de manière contrôlée dans la ou les canalisations et le ou les échangeurs prévus à cet effet dans l’organe 6 de réchauffage.
Le récipient 5 étant thermiquement isolé, on peut considérer que les flux thermiques et le réchauffement du fluide sont contrôlés. La mise en pression du fluide dans le récipient 5 est ainsi contrôlée également.
Lorsque la pression voulue est atteinte, les vannes permettant la sortie du fluide sont ouvertes pour évacuer le gaz sous pression.
De façon facultative, un réchauffeur 11 (atmosphérique ou à bain ou autre) peut être prévu en sortie pour amener le gaz produit à une température adéquate (par exemple compatible avec les éléments du circuit situés en aval).
Tant que du liquide reste dans le récipient 5, la pression peut y être augmentée. Le flux de fluide caloporteur de l’organe 6 de réchauffage peut être modulé afin de vaporiser la quantité de liquide nécessaire à l’application en aval. On peut imaginer stopper le flux de fluide caloporteur un certain temps si aucun besoin ne se fait sentir en aval.
De même, même une fois que le liquide a été totalement vaporisé dans le récipient 5, l’augmentation de la température du gaz dans le récipient 5 clos peut entraîner une augmentation de la pression.
En aval du réchauffeur 11, le circuit peut comporter un ou des stockages 8, 9 tampon. La station peut notamment comprendre plusieurs stockages 9 tampon installées en parallèle de manières à être remplis avec ce gaz mis sous pression dans le récipient 5. Ces stockages 9 peuvent de préférence être isolés les uns des autres (systèmes de vannes 17) et peuvent être à des pressions différentes.
Ces stockages 9 tampon peuvent ainsi être utilisés de façon connue en « cascade » pour le remplissage d’un ou plusieurs réservoirs.
Par exemple, les stockages 9 tampon peuvent être remplis successivement, par équilibrage de pression avec le récipient 5. Les stockages tampon 9 peuvent être utilisés ensuite successivement par équilibrage de pression avec un réservoir à remplir.
Comme illustré, plusieurs récipients 5 peuvent être utilisés en parallèle.
Comme illustré, la partie aval du circuit peut comprendre, en aval d’un ensemble de vannes 18, une extrémité prévue pour un raccordement direct (ou via un réservoir tampon 8) à un réservoir à remplir (réservoirs de semi-remorque par exemple).
De même, il est possible de prévoir un dispositif de stockage des frigories (masse solide et/ou liquide et/ou corps à changement de phase) pour stocker des frigories prélevées au liquide introduit dans le récipient 5.
De même, comme schématisé à la figure, des frigories F prélevée/récupérée du liquide dans le récipient 5 peuvent être utilisées pour contrôler la température des stockages 9 tampon en aval et/ou pour refroidir le gaz transféré à un réservoir lors du remplissage.
L’invention s’applique avantageusement aux stations services proposant de l’hydrogène. En effet, pour arriver à une pression de 700 bar dans le réservoir d’un véhicule il peut être nécessaire de disposer d’hydrogène à une pression proche de 1000bar ce qui est énergivore avec les méthodes selon l’art antérieur.

Claims (12)

  1. REVENDICATIONS
    1. Station de ravitaillement en gaz sous pression, notamment pour le ravitaillement en hydrogène gazeux de réservoirs de véhicules, comprenant un stockage source (2) destiné à contenir du gaz liquéfié, un circuit fluidique comprenant un ensemble de vannes (12, 13, 16, 17, 18, 19) et une conduite (3) de prélèvement, la conduite (3) de prélèvement comprenant une extrémité amont reliée au stockage (2) source pour prélever du gaz liquéfié et une extrémité aval destinée à être raccordée avec au moins un récepteur de gaz sous pression, la conduite (3) de prélèvement comprenant un système (4) de vaporisation du gaz liquéfié prélevé dans le stockage source (2) pour fournir du gaz sous pression au niveau de l’extrémité aval de la conduite (3) de prélèvement, caractérisée en ce que le système (4) de vaporisation comprend au moins un récipient (5) rigide destiné à stocker du liquide provenant du réservoir (2) source et un organe (6) de réchauffage du contenu du récipient (5), pour vaporiser le gaz liquéfié dans le récipient (5) à volume constant et augmenter ainsi sa pression.
  2. 2. Station selon la revendication 1, caractérisée en ce que le récipient (5) est isolé thermiquement.
  3. 3. Station selon la revendication 1, caractérisée en ce que l’organe (6) de réchauffage comprend un échangeur thermique en échange thermique avec un fluide caloporteur de réchauffage.
  4. 4. Station selon la revendication 3, caractérisée en ce que l’échangeur thermique est situé à l’intérieur du récipient (5), c’est-à-dire en contact avec le fluide à vaporiser.
  5. 5. Station selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce qu’elle comprend une conduite (7) d’évacuation de gaz en excès dans le récipient (5) avant ou pendant son remplissage avec du liquide.
  6. 6. Station selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que la conduite (3) de prélèvement comprend au moins un stockage (8, 9) tampon destiné à stocker du gaz sous pression produit par le récipient (5).
  7. 7. Station selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que la conduite (3) de prélèvement comprend plusieurs stockages (9) tampon raccordés en parallèle à la conduite (3) de prélèvement et à au moins un raccord (10) destiné à être relié à un réservoir à remplir pour permettre un remplissage du réservoir à partir de stockages (9) tampon utilisés « en cascade ».
  8. 8. Station selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que la conduite (3) de prélèvement comprend un réchauffeur (11) du gaz produit par le récipient (5) situé entre le récipient (5) et l’extrémité aval de la conduite (3) de prélèvement,
  9. 9. Procédé de ravitaillement d’au moins un réservoir en gaz sous pression, notamment en hydrogène gazeux, le procédé utilisant une station (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, le procédé comprenant :
    - une étape de transfert de liquide du stockage source (2) vers l’intérieur du récipient (5),
    - une étape d’isolation fluidique du récipient (5) par rapport au reste du circuit,
    - une étape de réchauffage du liquide situé dans le récipient (5) pour produire du gaz à haute pression,
    - une étape de transfert du gaz sous pression produit dans le récipient (5) vers l’extrémité aval de la conduite (3) de prélèvement.
  10. 10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que l’étape de transfert du gaz sous pression produit dans le récipient (5) vers l’extrémité aval de la conduite (3) de prélèvement comprend un réchauffage du gaz sous pression.
  11. 11 .Procédé selon la revendication 9 ou 10, caractérisé en ce que l’étape de transfert de liquide du stockage source (2) vers l’intérieur du récipient (5) est réalisée par pompage (20) ou transfert par gravimétrie et/ou différentiel de pression entre le stockage source (2) et le récipient (5).
  12. 12. Procédé selon l’une quelconque des revendications 9 à 11, caractérisé en ce qu’il comporte une étape de récupération de frigories (F) du gaz liquéfié prélevé du stockage source et une étape d’utilisation de ces frigories (F) récupérées pour refroidi le gaz sous pression en aval du récipient (5).
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