FR3123420A1 - Procédé et installation de liquéfaction de l’hydrogène - Google Patents

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Abstract

Procédé et installation de liquéfaction de l’hydrogène Procédé de liquéfaction de l’hydrogène, comprenant au moins une étape de pré-refroidissement, dans laquelle un débit d’alimentation en hydrogène est refroidi par un premier réfrigérant, une étape de refroidissement, dans laquelle le débit d’alimentation en hydrogène est refroidi par un deuxième réfrigérant, et une étape de détente du débit d’alimentation en hydrogène. Chacun des premier et deuxième réfrigérants est successivement soumis à au moins une compression et à au moins une détente afin de le refroidir, et une phase liquide du premier réfrigérant refroidit le deuxième réfrigérant pour que le deuxième réfrigérant ne dépasse pas une température de 150 K, de préférence 113 K, lors de ladite compression du deuxième réfrigérant. Une installation pour la mise en œuvre de ce procédé comprend un premier circuit de réfrigérant (R1) contenant un premier réfrigérant et un deuxième circuit de réfrigérant (R2) contenant un deuxième réfrigérant et comprenant un ou plusieurs compresseurs (C21, C22, C23) et un dispositif de refroidissement disposés ensemble, et un ou plusieurs détendeurs (JT2, E21, E22, E23). Le dispositif de refroidissement est configuré pour refroidir le deuxième réfrigérant dans le deuxième circuit de réfrigérant (R2) avec une phase liquide du premier réfrigérant dans le premier circuit de réfrigérant (R1) Figure pour l’abrégé : Fig. 1.

Description

Procédé et installation de liquéfaction de l’hydrogène
La présente divulgation concerne le domaine de la cryogénie, et plus spécifiquement celui de la liquéfaction de l’hydrogène.
Afin de limiter les émissions de gaz à effet de serre, l’hydrogène, obtenu de préférence en utilisant des sources d’énergie non-carbonées, est de plus en plus pris en considération en tant que vecteur énergétique. Or, pour obtenir une densité énergétique qui lui permette de rivaliser avec les hydrocarbures, en particulier pour les applications de transport, il est généralement préféré de le transporter et stocker sous forme liquide.
La liquéfaction de l’hydrogène exige toutefois une consommation énergétique considérable. Ainsi la consommation énergétique spécifique des installations de liquéfaction de l’hydrogène actuellement en service est d’environ 12 à 15 kWh par kilogramme d’hydrogène liquéfié. Par exemple, la société Linde®, sur son site de Leuna, exploite une installation de liquéfaction appliquant un cycle de Claude à l’hydrogène, combiné avec un pré-refroidissement exploitant la vaporisation de l’azote liquide, comme décrit par Berstad, Stang et Nekså dans « Comparison criteria for large-scale hydrogen liquefaction processes », International Journal of Hydrogen Energy, vol. 34, no. 3, février 2009, pages 1560-1568. Cette installation a une consommation énergétique spécifique de 11,9 kWh par kilogramme d’hydrogène liquéfié.
Plusieurs alternatives ont été proposées pour réduire le coût et la consommation énergétique de la liquéfaction de l’hydrogène. Ainsi, dans « Large scale hydrogen liquefaction in combination with LNG re-gasification », Proceedings of the 16th World Hydrogen Energy Conference 2006, p. 3326–3333, Kuendig, Lorhlein, Kramer et Huijsmans, ont proposé de remplacer, en tant que source de froid, la vaporisation de l’azote liquide par celle du gaz naturel liquéfié, obtenant ainsi une synergie avec les processus nécessitant le gaz naturel à l’état gazeux. D’autres auteurs ont proposé des alternatives au cycle de Claude à l’hydrogène. Ainsi, Matsuda et Nagami ont proposé, dans « Study of large hydrogen liquefaction process » Hydrogen Energy, 1997, p. 175, d’appliquer le cycle de Brayton avec de l’hélium, voire même du néon comme réfrigérant. Le cycle de Brayton à l’hélium était également proposé par Kuz’menko, Morkovkin et Gurov dans « Concept of building medium-capacity hydrogen liquefiers with helium refrigeration cycle », Chemical and Petroleum Engineering, 2004, 40(1/2), p. 94–98. Toutefois, le cycle de Brayton à l’hélium ne se prête pas bien à une exploitation à grande échelle. Pour cette raison, Valenti et Macchi ont proposé, dans « Proposal of an innovative, high-efficiency, large-scale hydrogen liquefier », International Journal of Hydrogen Energy, 2008, 33(12), p. 3116–3121, un procédé appliquant quatre cycles de Joule-Brayton en cascade. En pratique, l’efficience énergétique de ce procédé ne semble toutefois pas garantie.
Quack, dans « Conceptual design of a high efficiency large capacity hydrogen liquefier », AIP Conference Proceedings, 2002, 613, p. 255–263, a proposé un procédé comprenant une compression initiale de l’hydrogène, suivie par un pré-refroidissement au propane, un refroidissement appliquant un cycle de Brayton inversé à deux étages au « nélium » (mélange d’hélium et de néon à proportion 4 : 1 molaire), et une détente dans un détendeur rotatif de gaz. Dans le cadre du projet européen IdealHY un procédé de liquéfaction de l’hydrogène a été conçu comprenant un pré-refroidissement au MR (acronyme anglais de « Mixed Refrigerant », c’est-à-dire « réfrigérant mixte », désignant un mélange comprenant de l’azote et des hydrocarbures), suivi d’un refroidissement au « nélium » et d’une liquéfaction par détente, tandis que Krasae-in a décrit, dans « Optimal operation of a large-scale liquid hydrogen plant utilizing mixed fluid refrigeration system », International Journal of Hydrogen Energy, 2014, 39(13), p. 7015–7029, un procédé de liquéfaction de l’hydrogène comprenant un pré-refroidissement au MR et refroidissement appliquant une cascade de cycles de Joule-Brayton à l’hydrogène, et permettant théoriquement d’obtenir une consommation énergétique spécifique de seulement 5,35 kWh par kilogramme d’hydrogène liquéfié pour une production à grande échelle de 100 tonnes métriques par jour.
Finalement, le fascicule de demande de brevet européen EP 1 580 506 A1 divulguait un procédé et une installation de liquéfaction de l’hydrogène avec une étape de pré-refroidissement par du gaz naturel liquéfié et une étape de refroidissement par un réfrigérant comprimé à basse température dans des compresseurs refroidis aussi par le gaz naturel liquéfié, tandis que Howe, Skinner et Finn divulguaient, dans « Advanced precooling for optimized hydrogen liquefaction », H2Tech, Mars 2021, d’autres procédés et installation de liquéfaction de l’hydrogène avec une étape de pré-refroidissement par un premier réfrigérant et une étape de refroidissement par un deuxième réfrigérant.
Un premier aspect de la présente divulgation se rapporte à un procédé de liquéfaction de l’hydrogène offrant une moindre consommation énergétique spécifique grâce à une plus grande efficience d’une étape de compression de réfrigérant, et cela avec un débit réglable d’hydrogène liquide.
Pour cela, dans le procédé suivant ce premier aspect, qui comprend une étape de pré-refroidissement, dans laquelle un débit d’alimentation en hydrogène est refroidi par un premier réfrigérant, une étape de refroidissement, dans laquelle le débit d’alimentation en hydrogène est refroidi par un deuxième réfrigérant, et une étape de détente du débit d’alimentation en hydrogène, chacun des premier et deuxième réfrigérants est successivement soumis à au moins une compression et à au moins une détente afin de le refroidir, et une phase liquide du premier réfrigérant refroidit le deuxième réfrigérant pour que le deuxième réfrigérant ne dépasse pas une température de 150 K, de préférence 113 K, lors d’une compression du deuxième réfrigérant.
La détente du débit d’alimentation en hydrogène peut en particulier être une détente sensiblement adiabatique. Par « sensiblement adiabatique » on entend, dans le contexte de la présente divulgation, une détente dans laquelle l’enthalpie ne varie pas sensiblement, par exemple ne varie pas plus de 5%, voire même 1 %, dans la mesure où ceci peut être obtenu par des moyens conventionnels tels que, notamment, les vannes à effet Joule-Thomson, vannes de détente thermiquement isolées.
Grâce à l’utilisation du premier réfrigérant pour la compression cryogénique du deuxième réfrigérant, il est ainsi possible d’atteindre un haut degré d’efficience énergétique dans l’étape de refroidissement du débit d’alimentation en hydrogène par le deuxième réfrigérant.
Le premier réfrigérant peut notamment comprendre de l’azote et/ou de l’argon. Grâce au choix de l’azote et/ou de l’argon comme premier réfrigérant, il est donc possible d’effectuer ladite compression du deuxième réfrigérant à une température particulièrement basse, ce qui permet d’augmenter l’efficience énergétique du cycle du deuxième réfrigérant.
Ladite compression du deuxième réfrigérant peut s’effectuer sur plusieurs étages, le deuxième réfrigérant pouvant alors être refroidi par le premier réfrigérant entre des étages de la compression du deuxième réfrigérant, de manière à limiter efficacement la montée de température du deuxième réfrigérant pendant la compression.
Le deuxième réfrigérant peut comprendre principalement, voire uniquement, de l’hydrogène. Alternativement ou en complément à l’hydrogène, le deuxième réfrigérant peut néanmoins comprendre du néon et/ou de l’hélium, afin d’en augmenter la densité et donc éventuellement permettre d’effectuer sa compression en moins d’étages.
Afin de permettre un refroidissement graduel du débit d’alimentation en hydrogène sur une large plage de températures, le deuxième réfrigérant peut être divisé en un premier flux qui soit soumis à une détente pour le refroidir et un deuxième flux qui soit refroidi par le premier flux du deuxième réfrigérant après la détente du premier flux du deuxième réfrigérant. Le deuxième flux du deuxième réfrigérant peut être soumis à une détente, en particulier à une détente sensiblement adiabatique, après avoir été refroidi par le premier flux du deuxième réfrigérant.
De manière analogue et pour les mêmes raisons, le premier réfrigérant peut aussi être divisé en un premier flux qui soit soumis à une détente pour le refroidir et un deuxième flux qui soit refroidi par le premier flux du premier réfrigérant après la détente du premier flux du premier réfrigérant. Le premier flux du deuxième réfrigérant peut aussi être soumis à une détente, en particulier à une détente sensiblement adiabatique, après avoir été refroidi par le premier flux du deuxième réfrigérant.
Afin d’améliorer l’efficience du pré-refroidissement, le débit d’alimentation en hydrogène peut être refroidi aussi par un troisième réfrigérant pendant l’étape de pré-refroidissement.
Un deuxième aspect de la présente divulgation se rapporte à une installation de liquéfaction de l’hydrogène, pouvant être apte à effectuer le procédé du premier aspect et comprenant pour cela au moins un circuit d’alimentation en hydrogène, un premier circuit de réfrigérant, en particulier en boucle fermée, contenant un premier réfrigérant, un deuxième circuit de réfrigérant, en particulier en boucle fermée, contenant un deuxième réfrigérant, un premier ensemble d’échangeurs de chaleur traversés par le circuit d’alimentation en hydrogène et par le premier circuit de réfrigérant, un deuxième ensemble d’échangeurs de chaleur traversés par le deuxième circuit de réfrigérant et par le circuit d’alimentation en hydrogène en aval du premier ensemble d’échangeurs de chaleur, et un détendeur traversé par le circuit d’alimentation en hydrogène en aval du deuxième ensemble d’échangeurs de chaleur. Dans le présent contexte, on entend par « détendeur » tout dispositif apte à effectuer une détente d’un fluide, que ce soit avec extraction de travail, comme par exemple une turbine, ou de manière sensiblement adiabatique, comme par exemple une vanne de détente adiabatique. Les termes « amont » et « aval » doivent être compris suivant un sens de circulation normal du fluide dans chaque circuit.
Afin d’atteindre un haut degré d’efficience énergétique dans le refroidissement d’un débit d’alimentation en hydrogène, le premier circuit de réfrigérant peut comprendre un ou plusieurs compresseurs et un ou plusieurs détendeurs, et le deuxième circuit de réfrigérant peut comprendre un ou plusieurs compresseurs et un dispositif de refroidissement disposés ensemble de manière à effectuer au moins une compression du deuxième réfrigérant sans dépasser une température de 150 K, de préférence 113 K, et un ou plusieurs détendeurs. Le dispositif de refroidissement peut être configuré pour refroidir le deuxième réfrigérant dans le deuxième circuit de réfrigérant avec une phase liquide du premier réfrigérant dans le premier circuit de réfrigérant, en particulier dans une cuve du premier circuit de réfrigérant. En particulier, le deuxième circuit de réfrigérant peut comprendre plusieurs compresseurs et un ou plusieurs échangeurs intermédiaires intercalés entre lesdits compresseurs du deuxième circuit de réfrigérant, et éventuellement disposés dans la cuve du premier circuit de réfrigérant, pour maintenir la température du deuxième réfrigérant.
Du lubrifiant est normalement présent dans les paliers des compresseurs volumétriques typiquement utilisés dans les installations de liquéfaction de l’hydrogène et peut s’échapper vers le flux de réfrigérant. Or, aux températures cryogéniques auxquelles les compresseurs du deuxième circuit de réfrigérant fonctionnent, ces fuites de lubrifiant pourraient avoir des effets délétères dans ce deuxième circuit de réfrigérant, et exiger un dispositif d’extraction de ce lubrifiant. Afin d’éviter cela, lesdits compresseurs du deuxième circuit de réfrigérant peuvent être à paliers magnétiques, en particulier à paliers magnétiques actifs. Par ailleurs, pour réduire l’usure, fréquemment associée aux compresseurs volumétriques, ils peuvent être des compresseurs centrifuges. Ils peuvent par ailleurs être à entraînement électrique de manière à être compatibles avec leur immersion totale ou partielle dans la phase liquide du premier réfrigérant à température cryogénique.
Afin d’assurer la stabilité isomérique, en aval de chaque échangeur de chaleur, de l’hydrogène du débit d’alimentation, au moins un échangeur de chaleur du premier ensemble ou du deuxième ensemble peut être un échangeur catalytique, exposant le débit d’alimentation à un catalyseur tel que, par exemple, de l’oxyde de fer trivalent, pour y effectuer une conversion catalytique ortho-para.
Pour maintenir la température du premier réfrigérant lors de sa compression, et ainsi assurer une compression sensiblement isotherme, les compresseurs du premier circuit de réfrigérant peuvent être refroidis par eau. Un refroidissement par air est toutefois aussi envisageable pour les compresseurs du premier circuit.
Afin d’assurer un refroidissement graduel et énergétiquement efficient, le deuxième circuit de réfrigérant peut comporter un embranchement, en aval desdits compresseurs du deuxième circuit de réfrigérant, avec une première branche comportant un ou plusieurs desdits détendeurs du deuxième circuit de réfrigérant en amont d’au moins un des échangeurs de chaleur du deuxième ensemble en aval, et une deuxième branche traversant au moins un des échangeurs de chaleur du deuxième ensemble en amont d’une confluence avec la première branche du deuxième circuit de réfrigérant en amont desdits compresseurs du deuxième circuit de réfrigérant.
Afin d’assurer un pré-refroidissement graduel et énergétiquement efficient, le premier circuit de réfrigérant peut comporter, de manière analogue au deuxième circuit de réfrigérant, un embranchement, en aval des compresseurs du premier circuit de réfrigérant, avec une première branche comportant au moins un desdits détendeurs du premier circuit de réfrigérant en amont d’au moins un des échangeurs de chaleur du premier ensemble d’échangeurs de chaleur, et une deuxième branche traversant au moins un des échangeurs de chaleur du premier ensemble d’échangeurs de chaleur en amont d’une confluence avec la première branche du premier circuit de réfrigérant en amont des compresseurs du premier circuit de réfrigérant.
L’installation peut comporter en outre un troisième circuit de réfrigérant contenant un troisième réfrigérant et traversant aussi un ou plusieurs échangeurs de chaleur du premier ensemble d’échangeurs de chaleur.
La description se réfère aux dessins annexés sur lesquels :
La est une illustration schématique d’une installation de liquéfaction de l’hydrogène suivant un premier mode de réalisation.
La est une illustration schématique d’une installation de liquéfaction de l’hydrogène suivant une variante du premier mode de réalisation.
La est une illustration schématique d’une installation de liquéfaction de l’hydrogène suivant un deuxième mode de réalisation.

Claims (17)

  1. Procédé de liquéfaction de l’hydrogène, comprenant au moins :
    une étape de pré-refroidissement, dans laquelle un débit d’alimentation en hydrogène est refroidi par un premier réfrigérant,
    une étape de refroidissement, dans laquelle le débit d’alimentation en hydrogène est refroidi par un deuxième réfrigérant, et
    une étape de détente, en particulier de détente sensiblement adiabatique, du débit d’alimentation en hydrogène,
    et dans lequel chacun des premier et deuxième réfrigérants est successivement soumis à au moins une compression et à au moins une détente afin de le refroidir, et une phase liquide du premier réfrigérant refroidit le deuxième réfrigérant pour que le deuxième réfrigérant ne dépasse pas une température de 150 K, de préférence 113 K, lors d’une compression du deuxième réfrigérant.
  2. Procédé de liquéfaction de l’hydrogène suivant la revendication 1, dans lequel le premier réfrigérant comprend de l’azote et/ou de l’argon.
  3. Procédé de liquéfaction de l’hydrogène suivant l’une quelconque des revendications 1 ou 2, dans lequel le deuxième réfrigérant est refroidi entre des étages de ladite compression du deuxième réfrigérant.
  4. Procédé de liquéfaction de l’hydrogène suivant l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel le deuxième réfrigérant comprend de l’hydrogène, du néon et/ou de l’hélium.
  5. Procédé de liquéfaction de l’hydrogène suivant l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel le deuxième réfrigérant est divisé en un premier flux qui est soumis à une détente pour le refroidir et un deuxième flux qui est refroidi par le premier flux du deuxième réfrigérant après la détente du premier flux du deuxième réfrigérant.
  6. Procédé de liquéfaction de l’hydrogène suivant la revendication 5, dans lequel le deuxième flux du deuxième réfrigérant est soumis à une détente, en particulier à une détente sensiblement adiabatique, après avoir été refroidi par le premier flux du deuxième réfrigérant.
  7. Procédé de liquéfaction de l’hydrogène suivant l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel le premier réfrigérant est divisé en un premier flux qui est soumis à une détente pour le refroidir et un deuxième flux qui est refroidi par le premier flux du premier réfrigérant après la détente du premier flux du premier réfrigérant.
  8. Procédé de liquéfaction de l’hydrogène suivant la revendication 7, dans lequel le deuxième flux du premier réfrigérant est soumis à une détente, en particulier à une détente sensiblement adiabatique, après avoir été refroidi par le premier flux du premier réfrigérant.
  9. Procédé de liquéfaction de l’hydrogène suivant l’une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel le débit d’alimentation en hydrogène est refroidi aussi par un troisième réfrigérant pendant l’étape de pré-refroidissement.
  10. Installation de liquéfaction de l’hydrogène comprenant au moins :
    un circuit (H) d’alimentation en hydrogène,
    un premier circuit de réfrigérant (R1) contenant un premier réfrigérant,
    un deuxième circuit de réfrigérant (R2) contenant un deuxième réfrigérant,
    un premier ensemble d’échangeurs de chaleur (HX10, HX11, HX12, HX13) traversés par le circuit d’alimentation en hydrogène (H) et par le premier circuit de réfrigérant (R1),
    un deuxième ensemble d’échangeurs de chaleur (HX21, HX22, HX23, HX24, HX25, HX26) traversés par le deuxième circuit de réfrigérant (R2) et par le circuit d’alimentation en hydrogène (H) en aval du premier ensemble d’échangeurs de chaleur (HX10, HX11, HX12, HX13), et
    un détendeur, par exemple une vanne de détente adiabatique (JTH), traversé par le circuit d’alimentation en hydrogène (H) en aval du deuxième ensemble d’échangeurs de chaleur (HX21, HX22, HX23, HX24, HX25, HX26),
    dans laquelle le premier circuit de réfrigérant (R1) comporte un ou plusieurs compresseurs (C1) et un ou plusieurs détendeurs (E1,JT1), et le deuxième circuit de réfrigérant (R2) comprend un ou plusieurs compresseurs (C21, C22, C23) et un dispositif de refroidissement disposés ensemble de manière à effectuer au moins une compression du deuxième réfrigérant sans dépasser une température de 150 K, de préférence 113 K, et un ou plusieurs détendeurs (JT2, E21, E22, E23), le dispositif de refroidissement étant configuré pour refroidir le deuxième réfrigérant dans le deuxième circuit de réfrigérant (R2) avec une phase liquide du premier réfrigérant dans le premier circuit de réfrigérant (R1), en particulier dans une cuve (T1) du premier circuit de réfrigérant (R1).
  11. Installation de liquéfaction de l’hydrogène suivant la revendication 10, dans laquelle le deuxième circuit de réfrigérant (R2) comprend plusieurs compresseurs (C21, C22, C23) et le dispositif de refroidissement comprend un ou plusieurs échangeurs intermédiaires (IC) intercalés entre lesdits compresseurs (C21, C22, C23) du deuxième circuit de réfrigérant (R2).
  12. Installation de liquéfaction de l’hydrogène suivant l’une quelconque des revendications 10 ou 11, dans laquelle lesdits compresseurs (C21, C22, C23) du deuxième circuit de réfrigérant (R2) sont à paliers magnétiques, en particulier à paliers magnétiques actifs.
  13. Installation de liquéfaction de l’hydrogène suivant l’une quelconque des revendications 10 à 12, dans laquelle lesdits compresseurs (C21, C22, C23) du deuxième circuit de réfrigérant (R2) sont des compresseurs centrifuges.
  14. Installation de liquéfaction de l’hydrogène suivant l’une quelconque des revendications 10 à 13, dans laquelle au moins un échangeur de chaleur (HX10, HX11, HX12, HX13, HX21, HX22, HX23, HX24, HX25, HX26) du premier ensemble d’échangeurs de chaleur ou du deuxième ensemble d’échangeurs de chaleur est un échangeur catalytique.
  15. Installation de liquéfaction de l’hydrogène suivant l’une quelconque des revendications 10 à 14, dans laquelle le deuxième circuit de réfrigérant (R2) comporte un embranchement (S2), en aval desdits compresseurs (C21, C22, C23) du deuxième circuit de réfrigérant (R2), avec une première branche (R21) comportant un ou plusieurs desdits détendeurs (E21, E22, E23) du deuxième circuit de réfrigérant (R2) et traversant en aval au moins un des échangeurs de chaleur (HX21, HX22, HX23, HX24) du deuxième ensemble, et une deuxième branche (R22) traversant au moins un des échangeurs de chaleur (HX21, HX22, HX23, HX24, HX25, HX26) du deuxième ensemble avant de rejoindre la première branche (R21) du deuxième circuit de réfrigérant (R2) en amont desdits compresseurs (C21, C22, C23) du deuxième circuit de réfrigérant (R2).
  16. Installation de liquéfaction de l’hydrogène suivant l’une quelconque des revendications 10 à 15, dans laquelle le premier circuit de réfrigérant (R1) comporte un embranchement (S1), en aval des compresseurs (C1) du premier circuit de réfrigérant, avec une première branche (R11) comportant au moins un desdits détendeurs (E1) du premier circuit de réfrigérant (R1) et traversant en aval au moins un des échangeurs de chaleur (HX12) du premier ensemble d’échangeurs de chaleur (HX11, HX12, HX13), et une deuxième branche (R12) traversant au moins un des échangeurs de chaleur (HX12, HX13) du premier ensemble d’échangeurs de chaleur (HX11, HX12, HX13) avant de rejoindre la première branche (R11) du premier circuit de réfrigérant (R1) en amont des compresseurs (C1) du premier circuit de réfrigérant (R1).
  17. Installation de liquéfaction de l’hydrogène suivant l’une quelconque des revendications 10 à 16, comportant en outre un troisième circuit de réfrigérant (R3) contenant un troisième réfrigérant et traversant aussi un ou plusieurs échangeurs de chaleur (HX10, HX11, HX12) du premier ensemble d’échangeurs de chaleur (HX10, HX11, HX12, HX13).
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