FR3120097A1 - Dispositif de compression d’un fluide stocké sous la forme d’un liquide cryogénique, et procédé de fabrication associé - Google Patents

Dispositif de compression d’un fluide stocké sous la forme d’un liquide cryogénique, et procédé de fabrication associé Download PDF

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Abstract

L’invention concerne un dispositif (110) de compression d’un fluide, tel que du dihydrogène, du dioxygène, du diazote ou de l’argon, comprenant : une enceinte cryogénique (220), apte à contenir le fluide sous forme liquide à une température cryogénique, et du fluide sous forme de gaz provenant d’une vaporisation du liquide dans l’enceinte cryogénique ; une enceinte de pression (230) englobant l’enceinte cryogénique, configurée pour résister à une pression interne ; un dispositif (250) d’équilibrage de la pression entre l’intérieur de l’enceinte cryogénique et l’intérieur de l’enceinte de pression, le dispositif d’équilibrage comprenant une tuyauterie configurée pour transférer du gaz en surpression dans l’enceinte cryogénique dans un espace compris entre l’enceinte de pression et l’enceinte cryogénique, la tuyauterie comprenant un dispositif (270) de réchauffage du gaz en surpression provenant de l’enceinte cryogénique, à une température prédéterminée supérieure à la température cryogénique. figure pour l’abrégé : figure 2

Description

Dispositif de compression d’un fluide stocké sous la forme d’un liquide cryogénique, et procédé de fabrication associé
DOMAINE TECHNIQUE DE L’INVENTION
Le domaine de l’invention est celui du stockage d’un gaz.
Plus précisément, l’invention concerne un dispositif de compression d’un fluide stocké sous la forme d’un liquide cryogénique et un procédé de fabrication associé.
L’invention trouve notamment des applications pour le stockage du dihydrogène en vue d’alimenter un véhicule électrique, ou pour le stockage d’autres fluides tels que le dioxygène, le diazote, l’argon ou le méthane.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE
Il est connu de l’art antérieur des techniques de stockage d’un gaz sous pression sous la forme de bouteilles stockées dans un râtelier. Chaque bouteille, formée le plus souvent en acier ou en aluminium, stocke généralement une quantité de gaz donnée à une pression maximale de l’ordre de 200 à 300 bar. Or, notamment pour le dihydrogène, il est couramment admis qu’une pression optimale de stockage est de l’ordre de 700 bar. Des bouteilles en composite avec structure fibre de carbone sont alors utilisés.
Afin d’obtenir un tel niveau de pression, il est par conséquent nécessaire d’utiliser un compresseur mécanique complexe, notamment pour remplir un réservoir d’un véhicule à une pression supérieure à la pression des bouteilles.
En outre, les techniques de stockages sous forme de bouteilles dans un râtelier présentent l’inconvénient d’être encombrantes. Par ailleurs, une gestion complexe de la flotte de bouteilles est généralement mise en place afin de manutentionner régulièrement les bouteilles pour les remplacer afin de permettre au stockage d’avoir une pression suffisante pour alimenter un réservoir d’un véhicule à proximité.
Afin de réduire l’encombrement et le transport du gaz, il a été développé des techniques permettant de stocker le gaz sous forme liquide, généralement à des températures cryogéniques.
De telles techniques comprennent généralement un réservoir cryogénique dont l’isolation est effectuée pour une enceinte sous vide entourant l’enceinte interne du réservoir.
L’inconvénient de ces techniques est que le gaz sous forme liquide a tendance à se vaporiser sous l’effet des apports thermiques inhérents à tout dispositif cryogénique. Ainsi, afin d’éviter que les contraintes de pression ne dépassent les contraintes mécaniques admissibles pour un matériau soumis à une température cryogénique, une soupape de sécurité est généralement mise en place pour limiter la pression à l’intérieur de l’enceinte. La pression généralement admissible pour de telles enceintes est inférieure à 10 bar.
Il convient en effet de souligner que le matériau utilisé pour les enceintes cryogéniques est le plus souvent un matériau métallique offrant des caractéristiques mécaniques adaptées aux basses températures, c’est-à-dire à des températures inférieures à -20 °C. En outre, les réservoirs en matériau composite, tel que ceux comprenant de la fibre de carbone, sont peu adaptées aux basses températures car ne résistant généralement pas aux contraintes mécaniques liées à la pression à ces températures.
Aucun des systèmes actuels ne permet de répondre simultanément à tous les besoins requis, à savoir de proposer une technique qui permette de stocker une grande densité de gaz sous une forme compacte, et d’offrir une compression de gaz importante, pouvant aller jusqu’à 700 ou 800 bar, sans utilisation d’un dispositif mécanique complexe.
La présente invention vise à remédier à tout ou partie des inconvénients de l’état de la technique cités ci-dessus.
À cet effet, l’invention vise un dispositif de compression d’un gaz, tel que du dihydrogène, du dioxygène, du diazote, ou de l’argon, comprenant
  • une enceinte cryogénique, apte à contenir le fluide sous forme liquide à une température cryogénique, et du fluide sous forme de gaz provenant d’une vaporisation du liquide dans l’enceinte cryogénique ;
  • une enceinte de pression englobant l’enceinte cryogénique, configurée pour résister à une pression interne ;
  • un dispositif d’équilibrage de la pression entre l’intérieur de l’enceinte cryogénique et l’intérieur de l’enceinte de pression, le dispositif d’équilibrage comprenant une tuyauterie configurée pour transférer du gaz en surpression dans l’enceinte cryogénique dans un espace compris entre l’enceinte de pression et l’enceinte cryogénique, la tuyauterie comprenant un dispositif de réchauffage du gaz en surpression provenant de l’enceinte cryogénique, à une température prédéterminée supérieure à la température cryogénique.
Ainsi, le fluide peut être comprimé à une pression importante sans utilisation d’un dispositif mécanique complexe en réinjectant le gaz en surpression provenant de la vaporisation du liquide cryogénique contenu dans l’enceinte cryogénique.
En outre, afin d’éviter une détérioration de l’enceinte cryogénique sous l’effet de la pression, l’enceinte cryogénique est avantageusement baignée dans un environnement sous pression dans lequel la pression est équilibrée entre l’intérieure et l’extérieure de l’enceinte cryogénique. Les contraintes de pression sont ainsi reportées sur l’enceinte de pression qui englobe l’enceinte cryogénique.
Par ailleurs, la température de l’enceinte sous pression est en service préférentiellement supérieure à -20 °C afin de garantir la résistance mécanique de l’enceinte sous pression à des pressions élevées dont la valeur maximale est par exemple de l’ordre de 100 à 800 bar.
Il convient de souligner que le dispositif de compression n’a pas vocation à stocker le fluide sur une longue durée mais est plutôt destiné à s’insérer dans un système de stockage comprenant un réservoir cryogénique stockant le fluide sous forme liquide et un réservoir de stockage final. Dans ce système de stockage, le dispositif de compression correspond à un étage intermédiaire permettant de fournir au réservoir de stockage final un gaz comprimé issu de la vaporisation d’une partie du liquide cryogénique stocké préalablement dans le réservoir cryogénique. Le gaz comprimé peut ensuite être utilisé pour alimenter par exemple un réservoir d’un véhicule muni d’une pile à combustible pour générer de l’électricité alimentant un moteur électrique du véhicule.
Dans des modes de réalisation particuliers de l’invention, le dispositif de réchauffage du gaz est un échangeur thermique placé à l’extérieur de l’enceinte de pression.
L’échangeur thermique peut être du type gaz/gaz ou gaz/fluide afin de permettre de réchauffer le gaz extrait de l’enceinte cryogénique à une température adaptée pour l’enceinte de pression. Une telle température adaptée peut être déterminée en fonction des contraintes admissibles par l’enceinte de pression à la pression de service choisie.
La forme et le type de l’échangeur thermique sont déterminés en fonction de la puissance à extraire et des températures d’entrée et de sortie de l’échangeur.
Alternativement ou en complément de l’échangeur thermique, le dispositif de réchauffage comprend une résistance thermique insérée dans la tuyauterie. La résistance thermique peut être à l’intérieur ou à l’extérieur de l’enceinte de pression.
Dans des modes de réalisation particuliers de l’invention, le dispositif de compression inclut un conduit d’introduction dans l’enceinte cryogénique du fluide sous forme liquide, le conduit traversant les parois de l’enceinte de pression et de l’enceinte cryogénique, la tuyauterie du dispositif d’équilibrage comprenant :
  • un conduit d’extraction du gaz en surpression, traversant l’enceinte de pression et l’enceinte cryogénique en direction d’une entrée du dispositif de réchauffage ;
  • un conduit d’équilibrage, traversant l’enceinte de pression et débouchant entre l’enceinte de pression et l’enceinte cryogénique, le conduit d’équilibrage étant relié à une sortie du dispositif de réchauffage.
Dans des modes de réalisation particuliers de l’invention, le dispositif de compression comprend également un dispositif de chauffage à l’intérieur de l’enceinte cryogénique configuré pour vaporiser le fluide sous forme liquide avec un flux d’énergie prédéterminé.
Ainsi, il est possible d’augmenter le débit de gaz extrait de l’enceinte cryogénique et de contrôler cette quantité de gaz. Il convient de souligner que le débit de gaz extrait de l’enceinte ne peut être inférieur au débit de vaporisation naturelle du liquide cryogénique sous l’effet du flux d’apport énergétique traversant les parois de l’enceinte cryogénique. L’isolation de l’enceinte cryogénique est en effet configurée pour minimiser ce flux d’apport énergétique dans un environnement sous pression, ce qui exclut l’utilisation d’une enceinte sous vide qui permettrait de réduire d’avantage le flux d’apport énergétique en minimisant les ponts thermiques vers l’intérieur de l’enceinte cryogénique. En outre, dans la mesure où le dispositif de compression correspond à un étage intermédiaire du système de stockage, la qualité de l’isolation de l’enceinte cryogénique du dispositif de compression est peu prépondérante dans le fonctionnement du dispositif de compression. L’isolation de l’enceinte cryogénique est néanmoins configurée pour éviter une température trop basse dans l’enceinte de pression.
Dans des modes de réalisation particuliers de l’invention, le dispositif de chauffage comprend une résistance électrique et/ou un conduit de circulation d’un fluide caloporteur.
Dans des modes de réalisation particuliers de l’invention, l’enceinte de pression et l’enceinte cryogénique sont de forme globalement cylindrique autour d’un même axe de révolution.
Dans des modes de réalisation particuliers de l’invention, l’enceinte de pression est essentiellement formée dans un matériau métallique, et configurée pour résister à une pression interne maximale comprise entre 100 et 800 bar.
Dans des modes de réalisation particuliers de l’invention, l’enceinte cryogénique comprend une couche d’un matériau solide isolant résistant aux températures cryogéniques et au fluide.
Dans des modes de réalisation particuliers de l’invention, le matériau solide isolant est du polychlorotrifluoroéthylène (PTCFE).
L’invention vise également un procédé de fabrication d’un dispositif de compression selon l’un quelconque des modes de réalisation précédents, le procédé de fabrication comprenant des étapes de :
  • façonnage de l’enceinte de pression sous une forme cylindrique fermée à une extrémité ;
  • insertion de l’enceinte cryogénique à l’intérieur de l’enceinte de pression ;
  • insertion sous une forme liquide d’un matériau de protection entre l’enceinte extérieure et l’enceinte cryogénique, le matériau de protection se durcissant ;
  • façonnage d’un rétrécissement à l’extrémité ouverte de l’enceinte de pression après durcissement du matériau de protection ;
  • dissolution et extraction du matériau de protection ;
  • fermeture de l’enceinte de pression de manière étanche.
Ainsi, grâce à la présence du matériau de protection, il est possible de façonner l’enceinte de pression du dispositif de compression sans endommager l’enceinte cryogénique qui est généralement plus fragile car réalisée essentiellement dans un matériau ayant tendance à se dégrader sous l’effet de la chaleur.
Dans des modes de mise en œuvre particuliers de l’invention, un matériau réfléchissant est introduit avant l’étape de façonnage du rétrécissement afin de protéger l’enceinte cryogénique de la radiation thermique.
Dans des modes de mise en œuvre particuliers de l’invention, l’étape de façonnage d’un rétrécissement est effectuée par déformation de l’extrémité ouverte.
Dans des modes de mise en œuvre particuliers de l’invention, la déformation est effectuée par forgeage.
Dans des modes de mise en œuvre particuliers de l’invention, l’étape de façonnage d’un rétrécissement est effectuée par solidarisation d’une pièce.
Dans des modes de mise en œuvre particuliers de l’invention, le procédé de fabrication comprend une étape d’insertion d’un bouchon avant l’étape de façonnage d’un rétrécissement, le bouchon permettant de fermer l’enceinte de pression de manière étanche.
Dans des modes de mise en œuvre particuliers de l’invention, le procédé de fabrication comprend une étape de filetage du rétrécissement de l’extrémité ouverte de l’enceinte de pression, le filetage étant configuré pour s’assembler avec un filetage du bouchon.
Dans des modes de mise en œuvre particuliers de l’invention, le façonnage de l’enceinte de pression est effectué par forgeage.
Dans des modes de mise en œuvre particuliers de l’invention, le procédé de fabrication comprend une étape d’adjonction d’une couche extérieure de renfort en matériau composite.
Cette étape d’adjonction peut avantageusement être effectuée par l’enroulement d’au moins une bande de fibre, préférentiellement de carbone, enduite de résine autour de l’enceinte de pression.
Dans des modes de mise en œuvre particuliers de l’invention, le matériau de protection est un mélange d’un matériau granulaire et d’une résine liquide.
L’invention vise aussi un procédé alternatif de fabrication d’un dispositif de compression selon l’un quelconque des modes de réalisation précédents, comprenant des étapes de :
  • façonnage d’un squelette de l’enceinte de pression sous forme cylindrique ;
  • insertion de l’enceinte cryogénique à l’intérieur du squelette de l’enceinte de pression ;
  • enrobage du squelette de l’enceinte de pression par enroulement d’au moins une bande de fibre enduite de résine ;
  • fermeture de l’enceinte de pression de manière étanche.
L’invention vise également un système de stockage d’un fluide, tel que du dihydrogène, du dioxygène, du diazote ou de l’argon, comprenant :
  • un réservoir cryogénique stockant le fluide sous forme liquide à une pression inférieure à 10 bar et à une température inférieure à -150°C ;
  • un dispositif de compression selon l’un quelconque des modes de réalisation précédents, alimenté par le réservoir cryogénique ;
  • un réservoir de stockage d’un gaz sous pression, configuré pour résister à une pression interne maximale comprise entre 100 et 800 bar.
Enfin, l’invention vise aussi un procédé de compression d’un fluide stocké sous forme liquide dans un réservoir cryogénique dudit système de stockage, comprenant des étapes de :
  • remplissage de l’enceinte cryogénique du dispositif de compression dudit système de stockage avec du fluide sous forme liquide à une température cryogénique ;
  • fermeture du circuit entre le réservoir cryogénique et le dispositif de compression ;
  • vaporisation du fluide sous forme liquide en un gaz ;
  • extraction naturelle en continu du gaz en surpression dans l’enceinte cryogénique ;
  • réchauffage du gaz extrait à une température supérieure à -20 °C ;
  • augmentation de la pression dans le dispositif de compression par réinjection du gaz réchauffé dans un espace entre l’enceinte de pression et l’enceinte cryogénique.
Dans des modes de réalisation particuliers de l’invention, le procédé de compression comprend également une étape de dérivation du gaz en surpression lorsque la pression à l’intérieur du dispositif de compression est supérieure à une valeur prédéterminée, le gaz dérivé étant transféré dans le réservoir de stockage d’un gaz sous pression du système de stockage.
Dans des modes de réalisation particuliers de l’invention, le procédé de compression comprend également une étape de vidange d’une partie du gaz du dispositif de compression, afin de baisser la pression interne du dispositif de compression à une valeur inférieure à la pression du réservoir cryogénique, préalablement à un nouveau remplissage de l’enceinte cryogénique du dispositif de compression avec du fluide sous forme liquide à une température cryogénique provenant du réservoir cryogénique.
BRÈVE DESCRIPTION DES FIGURES
D’autres avantages, buts et caractéristiques particulières de la présente invention ressortiront de la description non limitative qui suit d’au moins un mode de réalisation particulier des dispositifs et procédés objets de la présente invention, en regard des dessins annexés, dans lesquels :
  • [Fig 1] est une vue en perspective d’un système de stockage comprenant un exemple de mode de réalisation du dispositif de compression selon l’invention ;
  • [Fig 2] est une vue en coupe du dispositif de compression de la figure 1 ;
  • [Fig 3] est une vue synoptique d’un mode de mise en œuvre d’un procédé de fabrication du dispositif de compression de la figure 1 ;
  • [Fig 4] comprend cinq vues successives illustrant le procédé de fabrication de la figure 3 ;
  • [Fig 5] est une vue synoptique d’un mode de mise en œuvre d’un procédé de compression mettant en œuvre le système de la figure 1 ;
  • [Fig 6] comprend deux vues en coupe d’un autre exemple de mode de réalisation d’un dispositif de compression pouvant s’insérer dans le système de stockage de la figure 1 ;
  • [Fig 7] est une vue synoptique d’un mode de mise en œuvre d’un procédé de fabrication du dispositif de compression de la figure 6.
DESCRIPTION DÉTAILLÉE DE L’INVENTION
La présente description est donnée à titre non limitatif, chaque caractéristique d’un mode de réalisation pouvant être combinée à toute autre caractéristique de tout autre mode de réalisation de manière avantageuse.
On note, dès à présent, que les figures ne sont pas à l’échelle.
Exemple d’un mode de réalisation particulier
La est une vue en perspective d’un système 100 de stockage comprenant un dispositif 110 de compression selon l’invention.
Le dispositif 110 de compression correspond à un étage intermédiaire entre un réservoir cryogénique 120 stockant un fluide sous la forme d’un liquide et un deuxième réservoir 130 stockant le fluide sous la forme d’un gaz sous pression en vue par exemple d’alimenter un réservoir d’un véhicule (non représenté sur la ).
Dans le présent non limitatif de l’invention, le fluide est du dihydrogène (H2) utilisé pour alimenter une pile à combustible du véhicule dont la motorisation est électrique. La présente invention peut également s’appliquer au stockage d’autres types de fluide, tel que du diazote (N2), du dioxygène (O2), de l’argon (Ar) ou du méthane (CH4) en adaptant si nécessaire les dimensions et les conditions de fonctionnement qui sont décrits ci-après.
Préférentiellement, la présente invention s’applique aux fluides dont la température de changement de phase liquide/gaz est inférieure à 120 K (c’est-à-dire environ -150 °C).
Par soucis de clarté, le fluide sous forme liquide est appelé par la suite liquide cryogénique et le fluide sous forme gazeuse est appelé gaz.
Le dispositif 110 de compression permet d’une part de vaporiser le liquide cryogénique provenant du réservoir cryogénique 120 où il est stocké par exemple à 10 bar et à une température de 3 K (c’est-à-dire -270 °C), et d’autre part de comprimer le gaz obtenu sans utilisation de pièces mécaniques complexes à des pressions de l’ordre de 300 à 800 bar.
A cet effet, comme on peut le voir plus en détails sur la qui est une vue en coupe du dispositif 110 de compression, le dispositif 110 de compression est composé principalement de deux chambres 210 formées par une enceinte interne cryogénique 220 et par une enceinte extérieure de pression 230 englobant l’enceinte cryogénique 220. L’enceinte cryogénique 220 et l’enceinte 230 de pression sont de forme globalement cylindrique autour d’un même axe 235 de révolution.
L’enceinte cryogénique 220 est destinée à contenir une quantité prédéterminée de liquide cryogénique 225 qui a été transféré du réservoir cryogénique 120 par un conduit 240. Le conduit 240 traverse les parois de l’enceinte 230 de pression et de l’enceinte cryogénique 220, à travers des bouchons 231 et 221, et débouche dans une partie basse de l’enceinte cryogénique 220 afin de limiter l’évaporation du liquide cryogénique lors de la phase de remplissage.
Au cours de cette phase de remplissage, une partie du liquide cryogénique 225 se vaporise dans un premier temps avec un débit important notamment dans une phase de mise en température de l’enceinte cryogénique 220, puis avec un débit plus faible lorsque la température de l’enceinte cryogénique 220 s’est stabilisée. Le débit correspond alors au flux d’énergie Eptraversant par conduction l’enceinte cryogénique 220 dont la structure n’est pas optimisée pour stocker sur une longue durée le liquide cryogénique mais configurée uniquement pour contenir le liquide cryogénique 225 pendant sa phase de vaporisation.
Le gaz 226 obtenu par vaporisation du liquide cryogénique 225 va avoir tendance à augmenter la pression de l’enceinte cryogénique 220. Afin d’éviter une déformation de l’enceinte cryogénique et permettre une augmentation de la pression au sein du dispositif 110 de compression, le dispositif 110 de compression comprend un dispositif 250 d’équilibrage de la pression entre la chambre 210Aà l’intérieur de l’enceinte cryogénique 220 et la chambre 210Bcomprise entre l’enceinte 230 de pression et l’enceinte cryogénique 220.
Le dispositif 250 d’équilibrage de la pression comprend une tuyauterie configurée pour transférer du gaz en surpression dans l’enceinte cryogénique 220 dans un espace compris entre l’enceinte 230 de pression et l’enceinte cryogénique 220, à savoir ici dans la chambre 210Bdont le volume est égal au volume intérieur de l’enceinte 230 de pression auquel est retranché le volume de l’enceinte cryogénique 220.
Avantageusement, la tuyauterie du dispositif 250 d’équilibrage de la pression comprend un dispositif 270 de réchauffage du gaz provenant de l’enceinte cryogénique 220, à une température prédéterminée supérieure à la température cryogénique. La température prédéterminée peut-être par exemple égale à 250 K (environ -20°C), à la température ambiante, ou à tout autre température comprise entre 250 K et la température ambiante.
Préférentiellement, le dispositif 270 de réchauffage du gaz est un échangeur thermique placé à l’extérieur de l’enceinte 230 de pression, comme illustré sur la . L’échangeur thermique est configuré afin de permettre de réchauffer le gaz provenant de l’enceinte cryogénique 220 en moyenne à la température prédéterminée. L’échangeur thermique peut être du type gaz/gaz ou gaz/liquide, et est configuré pour résister à des pressions importantes. L’avantage de l’échangeur thermique est d’avoir un impact nul sur le bilan énergétique du fonctionnement du dispositif 110 de compression, le gaz se déplaçant naturellement entre les deux enceintes du dispositif 110 de compression, en traversant l’échangeur thermique.
L’échangeur thermique peut être constitué par exemple d’ailettes en saillie autour de la tuyauterie ou d’une forme plus complexe apte à résister à la pression tel qu’un échangeur à tubes.
Alternativement ou en complément, le dispositif 270 de réchauffage du gaz peut être une résistance chauffante.
La tuyauterie du dispositif 250 d’équilibrage de la pression comprend un conduit 251 d’extraction du gaz en surpression, traversant l’enceinte de pression 230 et l’enceinte cryogénique 220 en direction d’une entrée du dispositif 270 de réchauffage du gaz.
La tuyauterie du dispositif 250 d’équilibrage de la pression comprend également un conduit 252 d’équilibrage permettant de renvoyer le gaz extrait de l’enceinte cryogénique 220 dans la chambre 210B. A cet effet, le conduit 252 d’équilibrage est relié à une sortie du dispositif 270 de réchauffage du gaz, traverse l’enceinte de pression 230 et débouche entre l’enceinte de pression 230 et l’enceinte cryogénique 220.
La chambre 210Bstocke ainsi du gaz sous pression à une température de l’ordre de 250 K alors que la chambre 210A stocke du fluide à une température cryogénique.
Le flux de vaporisation du liquide cryogénique dans l’enceinte cryogénique 220 correspond au minimum au flux d’énergie thermique Eptraversant les parois. Le flux de vaporisation peut être augmenté par un apport énergétique effectué par exemple grâce à un dispositif 280 de chauffage inséré à l’intérieur de l’enceinte cryogénique 220. Cet apport énergétique qui peut être varié automatiquement ou manuellement par un opérateur permet d’ajuster le flux de vaporisation du liquide cryogénique.
Le dispositif 280 de chauffage peut être par exemple composé d’une résistance électrique et/ou d’un conduit de circulation d’un fluide caloporteur.
L’enceinte 230 de pression est essentiellement formée dans un matériau métallique, permettant ainsi une configuration de l’enceinte pour résister à une pression interne maximale de l’ordre de 800 bar.
L’enceinte cryogénique 220 est quant à elle essentiellement formée, dans le présent exemple non limitatif de l’invention, dans un matériau solide isolant résistant aux températures cryogéniques. Avantageusement, le matériau solide isolant utilisé pour l’enceinte cryogénique 220 est inerte au fluide contenu.
Ici, le matériau solide isolant utilisé est du polychlorotrifluoroéthylène (PTCFE), conférant de bonnes propriétés mécaniques en termes d’isolation et de résistance des matériaux aux températures cryogéniques.
Toutefois, il convient de souligner que l’enceinte cryogénique 220 formée dans un tel matériau isolant a tendance à se dégrader lorsque la pression interne est supérieure à 5 ou 10 bar par rapport à la pression extérieure. Son rôle principal est alors d’offrir un contenant adapté au stockage provisoire du liquide cryogénique provenant du réservoir cryogénique 120, pendant la phase de compression isochore du gaz issu de la vaporisation du liquide cryogénique, tout en minimisant les pertes thermiques afin d’ajuster au mieux la quantité de gaz produit par vaporisation du liquide cryogénique.
Lorsque la pression cible est atteinte dans le dispositif 110 de compression, une vanne 290 est ouverte afin de transférer du gaz sous pression dans le réservoir 130 de stockage.
Avantageusement, une vanne 295 de vidange du dispositif 110 de compression peut être comprise dans le circuit afin de baisser la pression interne du dispositif 110 de compression à une valeur inférieure à la pression du réservoir cryogénique 120, préalablement à un nouveau remplissage de l’enceinte cryogénique 220 du dispositif 110 de compression avec du liquide cryogénique provenant du réservoir cryogénique 120.
La est une vue synoptique d’un exemple de mise en œuvre d’un procédé 300 de fabrication du dispositif 110 de compression selon l’invention. La illustre sous la forme schématique l’avancée de la fabrication du dispositif 110 de compression.
Le procédé 300 de fabrication comprend une première étape 310 de façonnage de l’enceinte de pression 230 sous une forme globale d’un cylindre 400 longiligne fermé à une extrémité 410, l’autre extrémité ouverte 420 étant laissée droite dans un premier temps pour permettre l’insertion de l’enceinte cryogénique 220 au cours d’une deuxième 320 du procédé 300 de fabrication, comme illustré par la sous-figure a) de la . Le façonnage de la première étape 310 peut être effectué par exemple par une technique classique de chaudronnerie à partir d’un tuyau ou d’un disque déformé par une presse.
Afin de maintenir et protéger l’enceinte cryogénique 220, un matériau de protection 430 est inséré sous une forme liquide dans la chambre 210B entre l’enceinte de pression 230 et l’enceinte cryogénique 220 au cours d’une troisième étape 330 de fabrication, comme illustré par la sous-figure b) de la . Le matériau de protection qui est par exemple un mélange de résine et d’un matériau granulaire tel que du sable, va se durcir après son insertion dans la chambre 210B.
A cet effet, le matériau de protection peut avoir été préalablement chauffé pour le fluidifier permettant ainsi son insertion dans la chambre 210B. Lors de son refroidissement, le matériau de protection va se durcir en épousant la forme de la chambre 210B.
Comme illustré par la sous-figure c) de la , un façonnage d’un rétrécissement 440 de l’extrémité ouverte 420 de l’enceinte de pression 230 est ensuite effectuée lors de la quatrième étape 340 du procédé 300 de fabrication, après que le matériau de protection ait durci.
Ce façonnage peut être effectué par déformation de l’extrémité ouverte 420, par exemple par une technique de forgeage, ou par solidarisation d’une pièce complémentaire de forme adéquate. La solidarisation de la pièce complémentaire peut s’effectuer par brasage ou par soudage.
Dans les deux cas, l’enceinte de pression 230 est chauffée localement à une température suffisamment élevée pour être susceptible d’endommager irréversiblement l’enceinte cryogénique 220. Toutefois, l’insertion préalable du matériau de protection au cours de l’étape 330 permet de minimiser la montée en température de l’enceinte cryogénique 220 lors de l’étape 340 de façonnage du rétrécissement de l’extrémité ouverte de l’enceinte sous pression 230.
Il convient de souligner que l’épaisseur du tuyau utilisé pour façonner l’enceinte de pression 230 correspond généralement à celui défini par le type « schedule 160 » afin que le ratio entre l’épaisseur et le diamètre soit suffisamment grand pour résister aux contraintes mécaniques due à la pression nominale de 700 à 800 bar. Afin de pouvoir utiliser des tuyaux de plus faible épaisseur, comme par exemple de « schedule 80 » qui est plus adapté pour l’opération de forgeage, un renforcement par adjonction d’une couche extérieure 460 en matériau composite peut être envisagé lors d’une étape optionnelle 345. Comme illustré en sous-figure e) de la , la couche extérieure 460 en matériau composite peut par exemple être réalisée par enroulement d’au moins une bande 465 de fibre de carbone enduite de résine.
En complément ou alternativement au matériau de protection, un matériau réfléchissant tel qu’un écran peut être introduit avant l’étape 340 de façonnage, afin de protéger l’enceinte cryogénique 220 de la radiation thermique induite lors de l’étape de façonnage.
Le matériau de protection 430 est ensuite dissout et extrait du dispositif 110 de compression au cours d’une cinquième étape 350 du procédé 300 de fabrication.
Le dispositif 110 de compression est finalisé par la fermeture de l’enceinte sous pression 230 de manière étanche au cours d’une sixième étape 360 du procédé 300 de fabrication, comme illustré en sous-figure d) de la .
Préférentiellement, un bouchon 450 de forme tronconique permettant de fermer l’enceinte de pression, est inséré avant l’étape 340 de façonnage du rétrécissement 440 au cours d’une étape optionnelle 325 du procédé 300 de fabrication, par exemple juste après l’insertion de l’enceinte cryogénique 220. Le bouchon 450 est fileté de manière complémentaire à un filetage du rétrécissement 440 de l’extrémité ouverte 420, préalablement réalisé.
Alternativement, un bouchon de forme cylindrique est inséré dans le rétrécissement 440 et solidarisé au rétrécissement par une technique de soudage ou de brasage. Dans ce cas, le matériau de protection 430 est avantageusement conservé, les étapes 350 et 360 du procédé de fabrication pouvant être interverties.
Il convient en effet de souligner que dans les deux cas les bouchons présentent des trous débouchant, préférentiellement filetés afin de laisser passer les différents conduits 240, 251 et 252, à travers des presse-étoupes préalablement installés. Le matériau de protection 430 peut ainsi être extrait de la chambre 210Bpar le trou débouchant prévu pour le conduit 252 d’équilibrage.
L’enceinte cryogénique 220 est maintenu en position à l’intérieur de l’enceinte de pression 230 par l’intermédiaire des presse-étoupes serrant de manière étanche les conduits 240 et 251 lors de leur traversée des bouchons 221 et 450 de chaque enceinte.
La présente une vue synoptique d’un mode de mise en œuvre d’un procédé 500 de compression du fluide stocké sous la forme de liquide cryogénique dans le réservoir cryogénique 120.
Le procédé 500 de compression comprend une première étape 510 de remplissage de l’enceinte cryogénique 220 du dispositif de compression 110 avec du liquide cryogénique par l’intermédiaire du conduit 240 d’introduction.
Le conduit 240 d’introduction entre le réservoir cryogénique 120 et le dispositif de compression 110 est ensuite fermé par l’intermédiaire de l’actionnement d’une vanne 296 au cours d’une deuxième étape 520 du procédé 500 de compression.
Le liquide cryogénique se vaporise à l’intérieur de l’enceinte cryogénique au cours d’une troisième étape 530 du procédé 500 de compression. Cette vaporisation peut être augmentée par l’ajout d’un apport énergétique par l’intermédiaire du dispositif 280 de chauffage qui de manière préférentielle plonge dans le liquide cryogénique.
Le gaz en surpression au-dessus du liquide cryogénique dans l’enceinte cryogénique 220 est ensuite extrait de l’enceinte cryogénique 220 par l’intermédiaire du conduit 251 d’extraction au cours d’une quatrième étape 540 du procédé 500 de compression.
Le gaz extrait est réchauffé à une température proche ou supérieure à 250 K (environ -20 °C) au cours d’une cinquième étape 550 avant d’être réinjecté dans l’enceinte de pression 230, plus précisément dans la chambre 210Bcomprise entre l’enceinte de pression 230 et l’enceinte cryogénique 220, au cours d’une sixième étape 560 du procédé 500 de compression.
La réinjection du gaz contribue à l’augmentation de la pression au sein du dispositif 110 de compression, la compression étant effectuée de manière isochore.
Il convient de souligner que l’extraction du gaz en surpression et la réinjection du gaz dans l’enceinte de pression 230 s’effectue de manière naturelle et en continu, la pression du gaz cherchant à s’équilibrer au sein du dispositif 110 de compression. Plus précisément, un rééquilibrage naturel de la pression est effectué en continu entre les deux chambres 210 du dispositif 110 de compression, ce rééquilibrage entraînant un transfert de gaz qui est réchauffé avant réinjection.
Lorsque la pression cible est atteinte, une partie du gaz en surpression est dérivé en ouvrant la vanne 290 lors d’une septième étape 570 du procédé 500 de compression, afin de remplir le réservoir 130 de stockage de gaz en vue de son utilisation.
Il convient de souligner que la dérivation peut être avantageusement effectuée dans le circuit du dispositif 250 d’équilibrage après que le gaz ait traversé le dispositif 270 de réchauffage. Alternativement, le gaz est dérivé en amont du dispositif 270 de réchauffage. Dans ce cas, un dispositif annexe de réchauffage est préférentiellement installé sur le conduit reliant la dérivation du dispositif 250 d’équilibrage au réservoir 130 de stockage.
Le procédé 500 peut également comprendre une étape 580 de vidange d’une partie du gaz du dispositif 110 de compression, afin de baisser la pression interne du dispositif 110 de compression à une valeur inférieure à la pression du réservoir cryogénique 120. Le procédé 500 peut alors recommencer.
Dans le présent exemple non limitatif de l’invention, le réservoir cryogénique 120 présente un volume de l’ordre de 3000 à 10000 litres. Le volume de l’enceinte cryogénique 220 est quant à lui de l’ordre de 100 à 300 litres. Le volume de la chambre 210Best généralement entre deux et cinq fois plus grand, préférentiellement trois fois plus grand, que celui de l’enceinte cryogénique 220 afin d’offrir un ratio de compression important. Il convient en effet de souligner que la masse volumique du gaz est généralement mille fois plus faible que celle du liquide, la vaporisation du liquide dans un volume donné entraîne par conséquent une augmentation naturelle de la pression, qui est ici permise grâce d’une part à la présence de l’enceinte de pression 230 et d’autre part grâce au circuit d’équilibrage permettant de transférer le gaz entre les deux chambres 210 du dispositif 110 de compression tout en le réchauffant pour éviter une dégradation de la résistance mécanique de l’enceinte de pression 230.
Le volume du réservoir 130 de stockage est généralement trois fois plus grand que celui de la chambre 210B, composé par exemple de trois sous-réservoirs de même volume que celui de la chambre 210B. Ces trois sous-réservoirs peuvent être dans des sous-circuits différents afin de pouvoir être rempli ou vidés individuellement.
Autre exemple de mode de réalisation
La illustre un autre exemple de dispositif 600 de compression selon l’invention qui a été réalisé selon un procédé de fabrication alternatif 700 présenté sous la forme synoptique en .
Le dispositif 600 de compression diffère du dispositif 100 de compression du précédent exemple de mode de réalisation par le fait que l’enceinte de pression 630 est composée d’un squelette métallique 631 de forme globalement cylindrique, remplaçant le tuyau utilisé au cours du procédé 300 de fabrication, comme illustré sur la sous-figure a) de la . La structure métallique 631 est enveloppée par une couche extérieure 632 en matériau composite maintenant la pression, comme illustré sous la sous-figure b) de la .
L’enceinte cryogénique 620 du dispositif 600 de compression peut avantageusement comprendre une pluralité de jambes 621 permettant de maintenir l’enceinte cryogénique 620 lors de l’élaboration du dispositif 600 de compression.
Le procédé 700 de fabrication comprend ainsi une première étape 710 d’élaboration du squelette métallique 631 entourant l’enceinte cryogénique 620 qui peut être positionnée en amont ou insérée lorsque le squelette métallique 631 est élaboré.
Le squelette 631 de l’enceinte de pression 630 est ensuite enveloppée par au moins une bande de fibre de carbone enduite de résine afin de former la couche extérieure 632. L’épaisseur de la couche extérieure 632 est configurée pour résister aux contraintes mécaniques dues à la pression nominale de 700 à 800 bars. Il convient de souligner que tout autre type de matériau composite, répondant aux contraintes mécaniques, peut être envisagé par l’homme du métier.
L’enceinte de pression 630 peut ensuite être fermée par le bouchon 650, au cours d’une troisième étape 730, de manière similaire au procédé 300 de fabrication, le bouchon 650 ayant été préalablement inséré à l’intérieur du squelette 631.
Les autres éléments du précédent mode de réalisation sont identiques.

Claims (23)

  1. Dispositif (110 ; 600) de compression d’un fluide, tel que du dihydrogène, du dioxygène, du diazote ou de l’argon, caractérisé en ce qu’il comprend :
    • une enceinte cryogénique (220 ; 620), apte à contenir le fluide sous forme liquide à une température cryogénique, et du fluide sous forme de gaz provenant d’une vaporisation du liquide dans l’enceinte cryogénique ;
    • une enceinte de pression (230 ; 630) englobant l’enceinte cryogénique, configurée pour résister à une pression interne ;
    • un dispositif (250) d’équilibrage de la pression entre l’intérieur de l’enceinte cryogénique et l’intérieur de l’enceinte de pression, le dispositif d’équilibrage comprenant une tuyauterie configurée pour transférer du gaz en surpression dans l’enceinte cryogénique dans un espace compris entre l’enceinte de pression et l’enceinte cryogénique, la tuyauterie comprenant un dispositif (270) de réchauffage du gaz en surpression provenant de l’enceinte cryogénique, à une température prédéterminée supérieure à la température cryogénique.
  2. Dispositif de compression selon la revendication 1, dans lequel le dispositif de réchauffage du gaz est un échangeur thermique placé à l’extérieur de l’enceinte de pression.
  3. Dispositif de compression selon l’une quelconque des revendications 1 à 2, comprenant un conduit (240) d’introduction dans l’enceinte cryogénique du fluide sous forme liquide, le conduit traversant les parois de l’enceinte de pression et de l’enceinte cryogénique, et dans lequel la tuyauterie du dispositif d’équilibrage comprend :
    • un conduit (251) d’extraction du gaz en surpression, traversant l’enceinte de pression et l’enceinte cryogénique en direction d’une entrée du dispositif de réchauffage ;
    • un conduit (252) d’équilibrage, traversant l’enceinte de pression et débouchant entre l’enceinte de pression et l’enceinte cryogénique, le conduit d’équilibrage étant relié à une sortie du dispositif de réchauffage.
  4. Dispositif de compression selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, comprenant également un dispositif (280) de chauffage à l’intérieur de l’enceinte cryogénique configuré pour vaporiser le fluide sous forme liquide avec un flux d’énergie prédéterminé.
  5. Dispositif de compression selon la revendication 4, dans lequel le dispositif de chauffage comprend une résistance électrique et/ou un conduit de circulation d’un fluide caloporteur.
  6. Dispositif de compression selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel l’enceinte de pression et l’enceinte cryogénique sont de forme globalement cylindrique autour d’un même axe de révolution.
  7. Dispositif de compression selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel l’enceinte de pression est essentiellement formée dans un matériau métallique, et configurée pour résister à une pression interne maximale comprise entre 100 et 800 bar.
  8. Dispositif de compression selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel l’enceinte cryogénique comprend une couche d’un matériau solide isolant résistant aux températures cryogéniques et au fluide.
  9. Dispositif de compression selon la revendication 8, dans lequel le matériau solide isolant est du polychlorotrifluoroéthylène (PTCFE).
  10. Procédé (300) de fabrication d’un dispositif de compression (110) selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu’il comprend des étapes de :
    • façonnage (310) de l’enceinte de pression sous une forme cylindrique fermée à une extrémité ;
    • insertion (320) de l’enceinte cryogénique à l’intérieur de l’enceinte de pression ;
    • insertion (330) sous une forme liquide d’un matériau de protection (430) entre l’enceinte de pression et l’enceinte cryogénique, le matériau de protection se durcissant ;
    • façonnage (340) d’un rétrécissement (440) à l’extrémité ouverte (420) de l’enceinte de pression après durcissement du matériau de protection ;
    • dissolution et extraction du matériau de protection ;
    • fermeture de l’enceinte de pression de manière étanche.
  11. Procédé de fabrication selon la revendication 10, dans lequel un matériau réfléchissant est introduit avant l’étape de façonnage du rétrécissement afin de protéger l’enceinte cryogénique de la radiation thermique.
  12. Procédé de fabrication selon l’une quelconque des revendications 10 à 11, dans lequel l’étape de façonnage d’un rétrécissement est effectuée par déformation de l’extrémité ouverte.
  13. Procédé de fabrication selon la revendication 12, dans lequel la déformation est effectuée par forgeage.
  14. Procédé de fabrication selon l’une quelconque des revendication 10 à 11, dans lequel l’étape de façonnage d’un rétrécissement est effectuée par solidarisation d’une pièce.
  15. Procédé de fabrication selon l’une quelconque des revendications 10 à 14, comprenant également une étape d’insertion d’un bouchon avant l’étape de façonnage d’un rétrécissement, le bouchon permettant de fermer l’enceinte de pression de manière étanche.
  16. Procédé de fabrication selon la revendication 15, comprenant également une étape de filetage du rétrécissement de l’extrémité ouverte de l’enceinte de pression, le filetage étant configuré pour s’assembler avec un filetage du bouchon.
  17. Procédé de fabrication selon l’une quelconque des revendications 10 à 16, comprenant une étape d’adjonction d’une couche extérieure de renfort en matériau composite.
  18. Procédé de fabrication selon l’une quelconque des revendications 10 à 17, dans lequel le matériau de protection est un mélange d’un matériau granulaire et d’une résine liquide.
  19. Procédé (700) de fabrication d’un dispositif de compression (600) selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu’il comprend des étapes de :
    • façonnage (710) d’un squelette (631) de l’enceinte de pression sous forme cylindrique ;
    • insertion de l’enceinte cryogénique à l’intérieur du squelette de l’enceinte de pression ;
    • enrobage (720) du squelette de l’enceinte de pression par enroulement d’au moins une bande (640) de fibre enduite de résine ;
    • fermeture (730) de l’enceinte de pression de manière étanche.
  20. Système (100) de stockage d’un fluide, tel que du dihydrogène, du dioxygène, du diazote ou de l’argon, comprenant :
    • un réservoir (120) cryogénique stockant le fluide sous forme liquide à une pression inférieure à 10 bar et à une température inférieure à -150°C ;
    • un dispositif (110) de compression selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, alimenté par le réservoir cryogénique ;
    • un réservoir (130) de stockage d’un gaz sous pression, configuré pour résister à une pression interne maximale comprise entre 100 et 800 bar.
  21. Procédé (500) de compression d’un fluide stocké sous forme liquide dans un réservoir cryogénique d’un système de stockage selon la revendication 20, comprenant des étapes de :
    • remplissage (510) de l’enceinte cryogénique du dispositif de compression dudit système de stockage avec du fluide sous forme liquide à une température cryogénique ;
    • fermeture (520) du circuit entre le réservoir cryogénique et le dispositif de compression ;
    • vaporisation (530) du fluide sous forme liquide en un gaz ;
    • extraction (540) du gaz en surpression dans l’enceinte cryogénique ;
    • réchauffage (550) du gaz extrait à une température supérieure à -20 °C ;
    • augmentation (560) de la pression dans le dispositif de compression par réinjection du gaz réchauffé dans un espace entre l’enceinte de pression et l’enceinte cryogénique.
  22. Procédé de compression selon la revendication 21, comprenant également une étape (570) de dérivation du gaz en surpression lorsque la pression à l’intérieur du dispositif de compression est supérieure à une valeur prédéterminée, le gaz dérivé étant transféré dans le réservoir de stockage d’un gaz sous pression du système de stockage.
  23. Procédé de compression selon l’une quelconque des revendications 21 à 22, comprenant également une étape (580) de vidange d’une partie du gaz du dispositif de compression, afin de baisser la pression interne du dispositif de compression à une valeur inférieure à la pression du réservoir cryogénique, préalablement à un nouveau remplissage de l’enceinte cryogénique du dispositif de compression avec du fluide sous forme liquide à une température cryogénique provenant du réservoir cryogénique.
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