FR3138194A1 - Installation et procédé de liquéfaction d’hydrogène - Google Patents
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Abstract
L’invention concerne une installation et un procédé de liquéfaction d’hydrogène comprenant un circuit (2) d’hydrogène ayant une extrémité amont (21) destinée à être reliée à une source (23) d’hydrogène gazeux et une extrémité aval (22) reliée à au moins un stockage (8), l’installation (1) comprenant une boîte froide (18) abritant un ensemble d’échangeur(s) (3, 4, 5, 6) de chaleur en échange thermique avec le circuit (2) d’hydrogène, l’installation (1) comprenant un dispositif de refroidissement en échange thermique avec au moins une partie de l’ensemble d’échangeur(s) (3, 4) de chaleur, l’installation (1) comprenant une conduite (12) de récupération de gaz de vaporisation munie d’au moins une extrémité amont reliée au stockage (8) et/ou un réservoir (19) à remplir et une extrémité aval raccordée au circuit (2) d’hydrogène, à l’intérieur de la boîte froide (18), ladite extrémité aval de la conduite (12) de récupération comportant, préalablement à son raccordement au circuit (2) d’hydrogène, une portion en échange thermique avec au moins un échangeur (5, 6) de l’ensemble d’échangeur(s) (3, 4, 5, 6) de chaleur. Figure d’abrégé : Fig. 2
Description
L’invention concerne une installation ainsi qu’un procédé de liquéfaction d’hydrogène.
L’invention concerne plus particulièrement une installation de liquéfaction d’hydrogène comprenant un circuit d’hydrogène ayant une extrémité amont destinée à être reliée à une source d’hydrogène gazeux et une extrémité aval reliée à au moins un stockage cryogénique d’hydrogène liquéfié de l’installation, le stockage cryogénique étant muni d’une conduite de soutirage configurée pour permettre la fourniture d’hydrogène liquéfié à au moins un réservoir à remplir, notamment un réservoir mobile, l’installation comprenant une boîte froide abritant un ensemble d’échangeur(s) de chaleur en échange thermique avec le circuit d’hydrogène, l’installation comprenant un dispositif de refroidissement en échange thermique avec au moins une partie de l’ensemble d’échangeur(s) de chaleur configuré pour refroidir le circuit d’hydrogène, ledit dispositif de refroidissement comprenant un réfrigérateur cryogénique à cycle de réfrigération d’un gaz de cycle dans un circuit de travail, le gaz de cycle comprenant au moins l’un parmi : de l’hydrogène, de l’hélium, le circuit de travail du réfrigérateur comprenant un organe de compression du gaz de cycle, un organe de refroidissement du gaz de cycle, un organe de détente du gaz de cycle et un organe de réchauffage du gaz de cycle, l’installation comprenant une conduite de récupération de gaz de vaporisation munie d’au moins une extrémité amont reliée au stockage et/ou destinée à être reliée à un réservoir à remplir et une extrémité aval raccordée au circuit d’hydrogène.
L’évaporation (« boil-off ») dans les systèmes de chargement de camions et les réservoirs dans les usines de liquéfaction de l’hydrogène peuvent engendrer des pertes pouvant aller jusqu’à 15% de la production.
Ces pertes par évaporation peuvent bien sûr être récupérées, réchauffées, recomprimées après stockage et réinjectées dans le liquéfacteur. Ceci nécessite un système de recirculation des pertes et un dimensionnement adéquat du liquéfacteur.
Une autre solution pour minimiser la production de ces gaz de vaporisation consiste à sous-refroidir l’hydrogène liquide produit.
Les solutions connues pour récupérer ces gaz de vaporisation peuvent présenter des inconvénients comme mentionné ci-dessous.
Ainsi, une partie de la dépressurisation du camion ne peut pas être effectuée vers le stockage liquide de l’installation par équilibrage de pression car la pression du camion peut devenir inférieure à celle du stockage. L’hydrogène est donc perdu ou envoyé à un système de récupération comme mentionné ci-dessus.
Lors du remplissage des camions, il peut arriver que des vapeurs froides ne peuvent plus revenir au stockage liquide de l’installation par manque de pression motrice. Ces vapeurs risquent d’être perdues.
Le froid présent dans les stockages ne permet généralement pas de compenser tous les apports de chaleurs générés par les opérations de remplissage des camions. Ceci génère une augmentation de la pression des stockages et une perte d’hydrogène.
La température de retour des vapeurs des camions à remplir peut être trop élevée pour être liquéfiée directement.
La dépressurisation est généralement intermittente. Les lignes ou conduites se réchauffent entre deux chargements des camions et les retours de gaz vers le liquéfacteur sont d’autant plus chaud et difficile à liquéfier.
Lorsque le stockage liquide de l’installation est relativement petit, la pression du stockage baisse lors des chargements des camions. Ceci nécessite d’utiliser un dispositif de pressurisation du stockage liquide et donc de vaporiser de l’hydrogène liquide qu’il va falloir re-liquéfier plus tard.
Un but de la présente invention est de pallier tout ou partie des inconvénients de l’art antérieur relevés ci-dessus.
A cette fin, l’installation selon l'invention, par ailleurs conforme à la définition générique qu’en donne le préambule ci-dessus, est essentiellement caractérisée en ce que l’extrémité aval de la conduite de récupération est reliée à l’intérieur de la boîte froide et comporte, préalablement à son raccordement au circuit d’hydrogène, une portion en échange thermique avec au moins un échangeur de l’ensemble d’échangeur(s) de chaleur.
Ceci permet le retour du gaz de vaporisation dans un des échangeurs de la boite froide du liquéfacteur à une température compatible avec cet échangeur.
La puissance nécessaire pour la liquéfaction de l’hydrogène étant directement lié à la pression de l’hydrogène gazeux, cette configuration permet de liquéfier du gaz à relative haute pression.
Cette configuration permet de conserver ou de maintenir la pression la plus haute possible dans l’échangeur de chaleur qui refroidit ce gaz de vaporisation récupéré (au moment de la liquéfaction) tout en limitant l’augmentation de pression nécessaire dans les cas où la pression est basse dans les stockages ou les camions fournissant ce gaz de vaporisation.
Cette architecture a un impact faible sur la capacité du liquéfacteur.
Par ailleurs, des modes de réalisation de l’invention peuvent comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :
- l’extrémité aval de la conduite de récupération comprend un organe de détente du flux de gaz de vaporisation situé de préférence entre la portion en échange thermique avec le au moins un échangeur de l’ensemble d’échangeur(s) de chaleur et le raccordement au circuit d’hydrogène,
- l’ensemble d’échangeur(s) de chaleur comprend une pluralité d’échangeurs de chaleurs disposés en série entre l’extrémité amont et l’extrémité aval du circuit d’hydrogène, le raccordement de l’extrémité aval de la conduite de récupération avec le circuit d’hydrogène étant situé en aval d’un premier passage du circuit d’hydrogène dans le dernier échangeur de chaleur en série,
- le premier passage du circuit d’hydrogène dans le dernier échangeur de chaleur en série comprend une section de catalyse de l’hydrogène configurée pour réaliser la conversion d’au moins une partie de l’hydrogène Ortho en hydrogène Para,
- en aval du raccordement, le circuit d’hydrogène réalise un deuxième passage dans le dernier échangeur de chaleur,
- le deuxième passage dans le dernier échangeur de chaleur ne comprend pas de section de catalyse de l’hydrogène Ortho en hydrogène Para,
- le circuit d’hydrogène comprend, en aval du deuxième passage dans le dernier échangeur de chaleur, un organe de détente du flux d’hydrogène, ledit organe de détente comprenant au moins l’un parmi : une vanne de détente, une turbine,
- l’extrémité aval de la conduite de récupération comprend, en amont du raccordement au circuit d’hydrogène, une section de catalyse configurée pour réaliser la conversion d’au moins une partie de l’hydrogène Para en hydrogène Ortho,
- l’extrémité aval de la conduite de récupération comprend une portion de dérivation et un ensemble de vanne(s) configurés pour assurer ou non le passage du flux de gaz de vaporisation dans ladite section de catalyse,
- l’extrémité aval de la conduite de récupération comprend une portion de dérivation et un ensemble de vanne(s) configurés pour assurer ou non le passage du flux de gaz de vaporisation dans ladite section de catalyse,
- la conduite de récupération comprend un organe de compression tel qu’un compresseur de type cryogénique,
- la conduite de récupération comprend une première extrémité amont reliée au stockage et une seconde extrémité amont destinée à être reliée à un réservoir mobile,
- les première et seconde extrémités amont de la conduite de récupération sont reliées à l’extrémité aval de la conduite de récupération via respectivement deux branches distinctes de conduites et en ce que l’organe de compression est situé dans la branche de conduite de la seconde extrémité amont de la conduite de récupération.
L’invention concerne également un procédé de liquéfaction d’hydrogène utilisant une installation selon l’une quelconque des caractéristiques ci-dessus ou ci-dessous, comprenant une étape de récupération de gaz de vaporisation via la conduite de récupération, une étape de refroidissement de ce gaz de vaporisation récupéré dans la boîte froide, une étape de détente de ce gaz de vaporisation dans la boîte froide, une étape de mélange de ce gaz de vaporisation détendu avec le flux d’hydrogène à refroidir
Selon d’autres particularités possibles :
- -le procédé comprend au moins l’une parmi : une étape de détente du mélange du gaz de vaporisation et du flux d’hydrogène à refroidir, une étape de détente du mélange du gaz de vaporisation et du flux d’hydrogène à refroidir.
L’invention peut concerner également tout dispositif ou procédé alternatif comprenant toute combinaison des caractéristiques ci-dessus ou ci-dessous dans le cadre des revendications.
D’autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description ci-après, faite en référence aux figures dans lesquelles :
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés dans lesquels :
Sur toutes les figures, les mêmes références se rapportent aux mêmes éléments.
Dans cette description détaillée, les réalisations suivantes sont des exemples. Bien que la description se réfère à un ou plusieurs modes de réalisation, cela ne signifie pas que les caractéristiques s’appliquent seulement à un seul mode de réalisation. De simples caractéristiques de différents modes de réalisation peuvent également être combinées et/ou interchangées pour fournir d’autres réalisations.
L’installation 1 de liquéfaction d’hydrogène illustrée à la comprend un circuit 2 d’hydrogène à refroidir/liquéfier. Ce circuit 2 d’hydrogène possède une extrémité amont 21 destinée à être reliée à une source 23 d’hydrogène gazeux et une extrémité aval 22 reliée à au moins un stockage 8 cryogénique d’hydrogène liquéfié produit par l’installation 1.
La source 23 d’hydrogène gazeux peut comprendre un électrolyseur, un réseaux d’hydrogène gazeux et/ou tout autre dispositif de production d’hydrogène.
Le stockage 8 cryogénique comprend par exemple un réservoir cryogénique isolé sous vide et est muni d’au moins une conduite 11 de soutirage configurée pour permettre la fourniture d’hydrogène liquéfié à au moins un réservoir 19 à remplir (par exemple un réservoir 19 cryogénique transporté par camion).
L’installation 1 comprenant une boîte froide 18, c’est-à-dire une enceinte cryogénique isolée et de préférence étanche qui abrite au moins une partie des organes cryogéniques de liquéfaction formant un liquéfacteur 31.
La boîte 18 froide abrite en particulier un ensemble d’échangeur(s) 3, 4, 5, 6 de chaleur en échange thermique et une partie froide du circuit 2 d’hydrogène en échange thermique avec ces échangeurs 3, 4, 5, 6 de chaleur.
L’installation 1 comprend en outre un dispositif de refroidissement en échange thermique avec au moins une partie de l’ensemble d’échangeur(s) 3, 4 de chaleur configuré pour produire du une puissance froide qui est utilisée pour refroidir le circuit 2 d’hydrogène.
Ce dispositif de refroidissement comprend de préférence un réfrigérateur 7 cryogénique à cycle de réfrigération d’un gaz de cycle dans un circuit de travail. C’est-à-dire que le circuit de travail fait subir au gaz de cycle un cycle thermodynamique qui amène ce gaz de cycle à une extrémité froide à une température cryogénique pour fournir une puissance froide de refroidissement.
Le gaz de cycle comprenant par exemple au moins l’un parmi : de l’hydrogène, de l’hélium. Le circuit de travail du réfrigérateur 7 comprenant un organe 9 de compression du gaz de cycle (un ou plusieurs compresseurs en série et/ou en parallèle), un organe 3, 4 de refroidissement du gaz de cycle, un organe 10 de détente du gaz de cycle (turbine(s) et/ou vanne(s) de détente) et un organe 6, 5, 4, 3 de réchauffage du gaz de cycle. Les organes de refroidissement et de réchauffage du gaz peuvent comprendre des échangeurs de chaleur et notamment des échangeurs de chaleur à contre-courant assurant simultanément un réchauffage et un refroidissement du gaz de cycle dans le circuit de travail.
L’installation 1 comprend en outre au moins une conduite 12 de récupération de gaz de vaporisation. Cette conduite 12 de récupération est munie d’au moins une extrémité amont reliée au stockage 8 et/ou destinée à être reliée à un réservoir 19 à remplir et une extrémité aval raccordée au circuit 2 d’hydrogène pour récupérer le gaz de vaporisation en vue de sa liquéfaction et de son mélange à l’hydrogène liquide produit.
Comme illustré à la , l’extrémité aval de la conduite 12 de récupération est raccordée au circuit 2 d’hydrogène à l’intérieur de la boîte froide 18. De plus, préalablement à son raccordement au circuit 2 d’hydrogène, l’extrémité aval de la conduite 12 de récupération est en échange thermique avec au moins un échangeur 5, 6 de l’ensemble d’échangeur(s) 3, 4, 5, 6 de chaleur en vue de son refroidissement.
Comme illustré, l’ensemble d’échangeur(s) 3, 4, 5, 6 de chaleur de la boîte froide comprend de préférence une pluralité d’échangeurs de chaleurs disposés en série entre l’extrémité amont 21 et l’extrémité aval 22 du circuit 2 d’hydrogène. Le raccordement de l’extrémité aval de la conduite 12 de récupération avec le circuit 2 d’hydrogène est situé par exemple en aval d’un premier passage du circuit 2 d’hydrogène dans le dernier 6 échangeur de chaleur en série.
Comme illustré, ce premier passage du circuit 2 d’hydrogène dans le dernier 6 échangeur de chaleur comprend de préférence une section 29 de catalyse de l’hydrogène configurée pour réaliser la conversion d’au moins une partie de l’hydrogène Ortho en hydrogène Para. En aval de ce premier passage dans la section 29 de catalyse de l’échangeur 6 échangeur de chaleur, le circuit 2 d’hydrogène comporte de préférence un organe 30 de détente tel qu’une vanne de détente par exemple.
De même, l’extrémité aval de la conduite 12 de récupération comprend de préférence un organe 20 de détente du flux de gaz de vaporisation situé entre la portion en échange thermique avec le ou les échangeurs 5, 6 de l’ensemble d’échangeur(s) de chaleur et le raccordement au circuit 2 d’hydrogène.
Comme illustré, en aval du raccordement, le circuit 2 d’hydrogène qui a reçu le gaz de vaporisation refroidi et détendu peut réaliser un deuxième passage dans le dernier 6 échangeur de chaleur en vue d’un refroidissement supplémentaire. Ce second échange de chaleur est situé de préférence dans une autre section de l’échangeur 6 de chaleur ne comprenant pas de section de catalyse.
Comme illustré, en aval de ce deuxième passage dans le dernier 6 échangeur de chaleur, le circuit 2 d’hydrogène peut comporter un organe 23 de détente du flux d’hydrogène. Cet organe 23 de détente est par exemple un organe de détente final dans la boîte froide et comprend par exemple une vanne de détente et/ou une turbine cryogénique de détente. Le fluide ainsi détendu est liquéfié et peut ensuite être fourni au stockage cryogénique via des conduites appropriées.
Cette configuration permet d’éviter une détente de l’hydrogène gazeux qui aurait tendance à réchauffer celui-ci. Selon la configuration ci-dessus, l’hydrogène gazeux récupéré est détendu en deux fois dans le liquéfacteur. Une première fois en sortie du dernier échangeur 6 de chaleur catalytique, puis lors d’un second passage dans l’échangeur 6 sans conversion catalytique et enfin finir avec une détente finale jusqu’au niveau de pression finale prévue pour le stockage 8.
Les et à illustrent différentes configurations ou opérations pouvant être mises en œuvre par l’installation 1.
Comme illustré, la conduite 12 de récupération comprend de préférence une première extrémité amont reliée à une extrémité supérieure du stockage 8 et une seconde extrémité amont destinée à être reliée à l’extrémité supérieure d’un réservoir 19 mobile. Par exemple, les première et seconde extrémités amont de la conduite 12 de récupération sont reliées à l’extrémité aval de la conduite de récupération via respectivement deux branches 121, 122 distinctes de conduites. Ces deux branches 121, 122 peuvent être munies de vanne(s) 221, 222 respective(s).
De plus, l’extrémité aval 22 du circuit d’hydrogène peut comporter deux extrémités reliée respectivement aux partie inférieure et supérieur du stockage via des vanne(s) respectives 201, 202 pour remplir le stockage 8 dans sa phase liquide ou dans sa phase gazeuse.
De plus, comme illustré, la conduite 11 de soutirage peut comporter une extrémité amont reliée au stockage 8 (partie inférieure) et de préférence munie d’une vanne 111 et deux extrémité aval. Une première extrémité aval, munie d’une vanne 112 peut être prévue pour être raccordée de façon détachable à un réservoir à remplir avec du liquide (en partie inférieure). La seconde extrémité aval de la conduite 11 de soutirage peut être munie d’une vanne 113 et peut être raccordée à la seconde extrémité amont de la conduite 12 de récupération de gaz (branche 122).
Cette liaison fluidique entre la conduite 11 de soutirage et à la branche 122 permet d’injecteur du liquide dans le réservoir 19 au niveau de sa partie supérieure (remplissage en pluie par exemple).
Dans les différentes configurations illustrées, les vannes fermées sont représentées en noir tandis que les vannes ouvertes sont représentées en blanc.
Dans la configuration de la il n’y a pas de réservoir mobile à remplir.
L’hydrogène de la source 23 est liquéfié par le liquéfacteur 31 et distribué dans le (ou les) stockages 8 par les tuyauteries du circuit 2. Les vannes 222 de récupération de gaz de réservoir(s) mobile(s) sont fermées. L’hydrogène peut être fourni au stockage dans sa partie inférieure. L’hydrogène fourni par le liquéfacteur 31 peut être sous-refroidi afin de maintenir la pression du stockage 8 et lutter contre leurs entrées thermiques. La pression du stockage 8 peut être régulé par les vannes 201 et 202 qui permettent d’assurer un remplissage par le bas et/ou par le haut. Comme illustré, la vanne 221 de la première extrémité aval de la conduite de récupération de gaz de vaporisation du stockage 8 peut être ouverte pour maintenir en froid cette conduite 121, 12.
Dans la configuration de la , un réservoir mobile 19 à remplir est raccordé à la première extrémité aval de la conduite 11 de soutirage. Ce réservoir 19 est raccordé également à la seconde extrémité amont de la conduite 12 de récupération (branches 122).
Après raccord du réservoir 19 à la conduite 11 de soutirage, et à la conduite 12 de récupération de gaz, la pression dans le réservoir 19 (par exemple comprise entre 3 et 10 bar) peut être réduite à un niveau inférieur à la pression P8 dans le stockage 8 (par exemple quelques millibars en-dessous de P8). Ceci est réalisé pour permettre un remplissage de liquide du réservoir 19 à partir du stockage par différentiel de pression (sans pompe).
L’hydrogène présent dans le réservoir 19 est généralement majoritairement gazeux (de 1 à 10% de phase liquide) et à une température entre 100K et 25K. La première partie de l’hydrogène chaud récupéré peut être envoyé vers un système 32 de récupération via une ligne en parallèle munie d’une vanne 322.
Lorsque la température dans le réservoir 19 est descendue à un niveau déterminé, par exemple entre 50K et 30K, il est possible de renvoyer le gaz vers le liquéfacteur (vanne 222 ouverte).
Cet hydrogène gazeux sera liquéfié dans le liquéfacteur 31 comme décrit précédemment et pourra retourner au stockage 8 tant que la pression dans le réservoir 19 sera supérieure à la pression du stockage 8 (plus les pertes de charges des circuits).
Pour finaliser la dépressurisation du réservoir 19 il peut être nécessaire de baisser la pression de celui-ci sous la pression du stockage 8. Plusieurs possibilités sont possibles. Dans une première option la dépressurisation du réservoir 19 peut être réalisée vers le système 32 de récupération cf. .
Selon une autre possibilité, un équilibrage de pressions peut être réalisé entre le réservoir 19 et le stockage 8 (cf. : vannes 222 et 221 ouvertes) suivi d’une pressurisation du stockage par le liquéfacteur (vanne 201 ouverte cf. ). C’est-à-dire que le gaz est transféré du réservoir 19 vers le stockage via les branches 122 puis 121 de la conduite 12 de récupération.
A la fin de cette première séquence, le réservoir 19 a atteint une pression P19 inferieure à la pression P8 du stockage 8.
Ensuite, comme illustré à la , le réservoir 19 peut être rempli en liquide. L’hydrogène liquide peut être est transféré du stockage 8 dans la partie supérieure du réservoir 19 via la conduite 11 de soutirage et la vanne 113 de la branche reliée à la conduite de récupération de gaz.
Le liquide provenant du stockage 8 peut être suffisamment froid pour maintenir la pression P19 dans le réservoir 19 en y condensant les vapeurs. La pression du stockage 8 peut être maintenue par l’injection d’hydrogène liquide provenant du liquéfacteur dans la phase vapeur du stockage (remplissage par le haut via la branche 121 de la conduite 12 de récupération de gaz avec la vanne 221 ouverte). Cet hydrogène peut provenir du circuit 2 d’hydrogène qui a été détendu et a été réchauffé dans un échangeur de chaleur. Le froid correspondant peut donc être récupéré à l’intérieur du liquéfacteur 31 pendant cette phase plutôt que d’injecter de la chaleur dans le stockage 8 via une unité de pressurisation (« PBU »).
A la fin de cette séquence, le réservoir 19 peut toujours avoir une pression P19 proche de la pression P8 du stockage 8. Le réservoir 19 est rempli au-delà de la moitié de sa capacité (par exemple entre 85% et 95% de sa capacité) mais sa pression doit de préférence être réduite pour pouvoir prendre la route et ne pas perdre d’hydrogène pendant le trajet.
La pression du réservoir 19 pour la route de route peut être dépendante des règlementations locales.
Cette dépressurisation peut être réalisée par exemple via un dégazage vers le système 32 de récupération (vanne 322 ouverte). La pression du réservoir 19 peut être amenée par exemple à 1,5bar. Simultanément, l’installation peut continuer à piloter la pression du stockage 8, par exemple par l’injection d’hydrogène liquide sous-refroidi en haut et/ou en bas du stockage 8 en pilotant les vannes 202 et 201. Cf. .
La illustre une variante de réalisation qui se distingue de la uniquement en ce que la branche 122 de la conduite 12 de récupération prévue pour récupérer le gaz de vaporisation du réservoir 19 comprend un organe 24 de compression tel qu’un compresseur de type cryogénique (compresseur froid configuré pour comprimer des vapeurs à des températures comprises entre 25 et 100K). Comme illustré, une conduite 124 de dérivation du compresseur 24 et un ensemble de vanne(s) 224, 324 peuvent être prévus pour assurer ou non le passage de tout ou partie du flux dans le compresseur 24.
Cet organe 24 de compression permet une meilleure récupération des vapeurs du réservoir 19 sur la conduite 12 de récupération des vapeurs vers le liquéfacteur 31.
Cet organe 24 de compression permet d’augmenter la pression des vapeurs d’hydrogène récupérées en vue de sa récupération dans le stockage 8 et/ou le liquéfacteur 31 lors des phases où les pressions disponibles dans le réservoir 19 ne sont pas suffisantes pour assurer ce transfert par différence de pression. L’avantage d’un compresseur 24 cryogénique par rapport à un compresseur classique à température ambiante est sa taille réduite du fait de la densité plus importante de l’hydrogène froid. La température froide de l’hydrogène est conservée lors de la compression et l’hydrogène froid comprimé peut être récupéré facilement dans le stockage 8 ou vers le liquéfacteur 31 pour être liquéfié à nouveau.
La configuration de la correspond à la configuration de la . L’hydrogène du circuit 2 est liquéfié par le liquéfacteur 31 et est distribué dans le stockage 8. Cet hydrogène peut être sous-refroidi afin pour contrôler et maintenir la pression dans le stockage 8 et lutter contre leurs entrées thermiques. Cette pression du stockage 8 peut être régulée via les vannes 202, 201 (remplissage par le haut/bas). Comme illustrée la vanne 221 sur la branche de récupération du gaz de vaporisation du stockage 8 peut être ouverte pour maintenir cette ligne en froid. Les vannes 222, 322 de la branche de récupération du gaz vaporisé des réservoirs 19 sont fermées. Le compresseur 24 est de préférence à l’arrêt.
La illustre une configuration de dépressurisation d’un réservoir 19 à remplir qui correspond à la configuration de la . A noter que dans ce mode de réalisation représenté, la conduite 11 de soutirage n’est pas raccordée à la partie supérieure du réservoir (via la branche 122), mais bien sûr pourrait l’être.
Apres connexion du réservoir aux conduites 11 de soutirage et de récupération de gaz 12, 122, la pression (par exemple de 3 à 10 bar) du réservoir 19 peut être réduite en dessous de pression du stockage 8. L’hydrogène présent dans le réservoir 19 est en principe majoritairement gazeux (de 1 à 10% de phase liquide) et à une température par exemple comprise entre 100K et 25K. Une première partie de l’hydrogène chaud récupéré peut être est envoyée au système 32 de récupération (vanne 322 ouverte). Une fois la température du gaz dans le réservoir 19 descendue (par exemple entre 50K et 30K), le gaz récupéré peut être envoyé au liquéfacteur 31 (conduite 12 vannes 222, 224 ouvertes. Cet hydrogène sera liquéfié comme décrit précédemment (passage(s) dans l’échangeur 6 et détente) puis alimentera le stockage 8 tant que la pression du réservoir 19 reste supérieure à la pression dans le stockage 8 (plus les pertes de charges des circuits concernés). Le compresseur 24 n’est de préférence pas utilisé dans cette première phase de dépressurisation mais peut être mis en froid par les vapeurs retournant au liquéfacteur 31.
Comme illustré à la , pour finaliser la dépressurisation du réservoir 19, cette pression peut être abaissée sous la pression du stockage 8. Le compresseur 24 peut être utilisé pour aspirer les vapeurs du réservoir 19 et les envoyer dans le stockage 8. Le retour vers le liquéfacteur 31 peut être fermé durant cette phase. La pression du stockage 8 peut toujours être régulée par les vannes 202, 201. Il y a donc transfert de gaz du réservoir 19 vers le stockage 8.
A l’issue de cette étape, le réservoir 19 a atteint une pression inferieure à la pression du stockage 8. Ceci représente la partie principale du remplissage du réservoir 19 en liquide. L’hydrogène liquide est transféré du stockage 9 au réservoir 8 par la conduite 11 de soutirage (vanne 111 ouverte). La pression du stockage 8 peut être maintenue par l’injection d’hydrogène provenant du liquéfacteur 31 (vannes 201 et/ou 202). La pression du réservoir 19 peut être maintenue sous la pression du stockage 8 grâce au compresseur 24. Cf. .
A la fin de cette étape, le réservoir 19 peut toujours être à une pression proche de la pression du stockage 8. Le niveau de remplissage du réservoir 19 est relativement important (par exemple entre 85% et 95%) mais sa pression peut devoir être réduite pour pouvoir prendre la route et ne pas perdre d’hydrogène pendant le trajet. Cette pression de route peut être dépendante des règlementations locales. Le compresseur 24 peut permettre de réduire cette pression dans le réservoir 19 jusqu’à la pression de départ requise (sans utilisation de la vanne 332 vers le système de récupération ou en évitant la perte d’hydrogène lors du trajet). Le gaz du réservoir 19 est pompé vers le stockage 8 (cf. ).
Le compresseur 24 froid peut être utilisé pour réduire également la pression du stockage 8 sans prévoir d’alimentation en hydrogène sous-refroidi. Ceci augmente la capacité de production du liquéfacteur.
La illustre une variante de réalisation du circuit renvoyant les gaz de vaporisation récupérés au sein de la boîte 18 froide du liquéfacteur 31. Par soucis de simplification, seule une partie de la boîte 18 froide et des circuits ont été représentés à la . Le mode de réalisation de la se distingue de celui de la en ce que l’extrémité aval de la conduite 12 de récupération comprend, en amont du raccordement au circuit 2 d’hydrogène, une section 25 de catalyse (par exemple un pot catalytique) configurée pour réaliser la conversion d’au moins une partie de l’hydrogène Para en hydrogène Ortho.
De plus, la conduite 12 de récupération comprend une portion 26 de dérivation et un ensemble de vanne(s) 27, 28 configurés pour assurer ou non le passage du flux de gaz de vaporisation dans la section 25 de catalyse.
La spécification requise pour les liquéfacteurs 31 d’hydrogène est de prévoir une conversion minimale autour de 95% Para pour l’hydrogène en sortie du liquéfacteur. La présence de catalyseur dans le ou les derniers échangeurs 5, 6 permet en général une conversion entre 98% à 100% en fonction de la pression de l’hydrogène.
L’hydrogène gazeux revenant des réservoirs 19 à remplir provient de la vaporisation de liquide et est constitué généralement d’hydrogène sous la forme Para dans une proportion comprise entre 98% et 100%.
Dans certains cas, l’installation 1 n’est pas adaptée à la récupération des vapeurs d’hydrogène trop chaudes car cela peut perturber le fonctionnement du liquéfacteur 31.
Ces vapeurs récupérées peuvent être refroidies en utilisant la conversion Otho vers Para inverse de celle réalisée dans le liquéfacteur pour le flux du circuit 2 d’hydrogène.
Ainsi, par exemple, ces gaz de vaporisation récupérés peuvent avoir une température comprise entre 50K et 25K. Plus cette température est haute, plus l’hydrogène est loin de son point d’équilibre à cette température (20K pour l’hydrogène à 98% Para) et plus la conversion Para vers Ortho va refroidir l’hydrogène.
Les vapeurs sont donc converties de la forme Para vers la forme Ortho puis liquéfiées dans l’échangeur 6 de chaleur/détendeur 20 et sont ensuite mélangées dans l’hydrogène du circuit 2 avant d’alimenter le stockage 8 (comme décrit précédemment).
L’utilisation d’un tel pot catalytique 25 n’est en principe nécessaire que lorsque que l’hydrogène gazeux arrive assez chaud (par exemple en début de dépressurisation du réservoir 19 à remplir) et suffisamment sous pression (pression typiquement comprise entre 3 et 10bar). Le système de dérivation 26, 27 et notamment la ou les vanne(s) peut être configuré pour assurer un passage dans la catalyse de conversion en fonction en fonction de la température de retour du gaz qui peut être mesurée par un capteur 33 de température dans la conduite 12 de récupération.
Ainsi, lorsque la température mesurée devient assez froide ou la pression baisse dans la conduite de récupération (fin de dépressurisation du réservoir 19), la 28 du circuit est fermée et la vanne 27 d’alimentation directe de l’échangeur 6 est ouverte pour réduire la perte de charge du système.
Ce contrôle de la dépressurisation des réservoir 19 limite le débit par rapport à la capacité du liquéfacteur (un contrôle sur la température de sortie de l’échangeur du gaz reliquéfié peut être prévu).
Bien entendu, ce mode de réalisation peut s’appliquer aux modes de réalisation et étapes ci-dessus.
De plus les exemples ci-dessus ne sont pas limitatifs. Ainsi, par exemple, l’installation pourrait comprendre plusieurs stockages 8 et/ou plusieurs conduites 11 de remplissage et de récupération 12 de gaz vaporisés.
Un compresseur 24 froid pourrait être disposé en parallèle de la conduite de récupération, pour transfert du gaz vers le liquéfacteur notamment dans le cas où plusieurs réservoirs sont traités en simultané.
Claims (14)
- Installation de liquéfaction d’hydrogène comprenant un circuit (2) d’hydrogène ayant une extrémité amont (21) destinée à être reliée à une source (23) d’hydrogène gazeux et une extrémité aval (22) reliée à au moins un stockage (8) cryogénique d’hydrogène liquéfié de l’installation, le stockage (8) cryogénique étant muni d’une conduite (11) de soutirage configurée pour permettre la fourniture d’hydrogène liquéfié à au moins un réservoir (19) à remplir, notamment un réservoir mobile, l’installation (1) comprenant une boîte froide (18) abritant un ensemble d’échangeur(s) (3, 4, 5, 6) de chaleur en échange thermique avec le circuit (2) d’hydrogène, l’installation (1) comprenant un dispositif de refroidissement en échange thermique avec au moins une partie de l’ensemble d’échangeur(s) (3, 4) de chaleur configuré pour refroidir le circuit (2) d’hydrogène, ledit dispositif de refroidissement comprenant un réfrigérateur (7) cryogénique à cycle de réfrigération d’un gaz de cycle dans un circuit de travail, le gaz de cycle comprenant au moins l’un parmi : de l’hydrogène, de l’hélium, le circuit de travail du réfrigérateur (7) comprenant un organe (9) de compression du gaz de cycle, un organe (3, 4) de refroidissement du gaz de cycle, un organe (10) de détente du gaz de cycle et un organe (6, 5, 4, 3) de réchauffage du gaz de cycle, l’installation (1) comprenant une conduite (12) de récupération de gaz de vaporisation munie d’au moins une extrémité amont reliée au stockage (8) et/ou destinée à être reliée à un réservoir (19) à remplir et une extrémité aval raccordée au circuit (2) d’hydrogène, à l’intérieur de la boîte froide (18), ladite extrémité aval de la conduite (12) de récupération comportant, préalablement à son raccordement au circuit (2) d’hydrogène, une portion en échange thermique avec au moins un échangeur (5, 6) de l’ensemble d’échangeur(s) (3, 4, 5, 6) de chaleur.
- Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que l’extrémité aval de la conduite (12) de récupération comprend un organe (20) de détente du flux de gaz de vaporisation situé de préférence entre la portion en échange thermique avec le au moins un échangeur (5, 6) de l’ensemble d’échangeur(s) (3, 4, 5, 6) de chaleur et le raccordement au circuit (2) d’hydrogène.
- Installation selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que l’ensemble d’échangeur(s) (3, 4, 5, 6) de chaleur comprend une pluralité d’échangeurs de chaleurs disposés en série entre l’extrémité amont (21) et l’extrémité aval (22) du circuit (2) d’hydrogène et en ce que le raccordement de l’extrémité aval de la conduite (12) de récupération avec le circuit (2) d’hydrogène est situé en aval d’un premier passage du circuit (2) d’hydrogène dans le dernier (6) échangeur de chaleur en série.
- Installation selon la revendication 3, caractérisée en ce que le premier passage du circuit (2) d’hydrogène dans le dernier (6) échangeur de chaleur en série comprend une section (29) de catalyse de l’hydrogène configurée pour réaliser la conversion d’au moins une partie de l’hydrogène Ortho en hydrogène Para.
- Installation selon la revendication 3 ou 4, caractérisée en ce que, en aval du raccordement, le circuit (2) d’hydrogène réalise un deuxième passage dans le dernier (6) échangeur de chaleur.
- Installation selon la revendication 5, caractérisée en ce que le deuxième passage dans le dernier (6) échangeur de chaleur ne comprend pas de section de catalyse de l’hydrogène Ortho en hydrogène Para.
- Installation selon la revendication 5 ou 6, caractérisée en ce que le circuit (2) d’hydrogène comprend, en aval du deuxième passage dans le dernier (6) échangeur de chaleur, un organe (23) de détente du flux d’hydrogène, ledit organe (23) de détente comprenant au moins l’un parmi : une vanne de détente, une turbine.
- Installation selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que l’extrémité aval de la conduite (12) de récupération comprend, en amont du raccordement au circuit (2) d’hydrogène, une section (25) de catalyse configurée pour réaliser la conversion d’au moins une partie de l’hydrogène Para en hydrogène Ortho.
- Installation selon la revendication 8, caractérisée en ce que l’extrémité aval de la conduite (12) de récupération comprend une portion (26) de dérivation et un ensemble de vanne(s) (27, 28) configurés pour assurer ou non le passage du flux de gaz de vaporisation dans ladite section (25) de catalyse.
- Installation selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que la conduite (12) de récupération comprend un organe (24) de compression tel qu’un compresseur de type cryogénique.
- Installation selon l’une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisée en ce que la conduite (12) de récupération comprend une première extrémité amont reliée au stockage (8) et une seconde extrémité amont destinée à être reliée à un réservoir (19) mobile.
- Installation selon les revendications 10 et 11, caractérisée en ce que les première et seconde extrémités amont de la conduite (12) de récupération sont reliées à l’extrémité aval de la conduite (12) de récupération via respectivement deux branches distinctes de conduites et en ce que l’organe (24) de compression est situé dans la branche de conduite de la seconde extrémité amont de la conduite (12) de récupération.
- Procédé de liquéfaction d’hydrogène utilisant une installation selon l’une quelconque des revendications 1 à 12, comprenant une étape de récupération de gaz de vaporisation via la conduite (12) de récupération, une étape de refroidissement de ce gaz de vaporisation récupéré dans la boîte (18) froide, une étape de détente de ce gaz de vaporisation dans la boîte (18) froide, une étape de mélange de ce gaz de vaporisation détendu avec le flux d’hydrogène à refroidir.
- Procédé de liquéfaction d’hydrogène selon la revendication 13, comprenant au moins l’une parmi : une étape de détente du mélange du gaz de vaporisation et du flux d’hydrogène à refroidir, une étape de détente du mélange du gaz de vaporisation et du flux d’hydrogène à refroidir.
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2023
- 2023-06-20 WO PCT/EP2023/066540 patent/WO2024017549A1/fr unknown
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| BERSTAD D O ET AL: "Large-scale hydrogen liquefier utilising mixed-refrigerant pre-cooling", INTERNATIONAL JOURNAL OF HYDROGEN ENERGY, ELSEVIER, AMSTERDAM, NL, vol. 35, no. 10, 1 May 2010 (2010-05-01), pages 4512 - 4523, XP027028434, ISSN: 0360-3199, [retrieved on 20100424] * |
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