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WO2024094561A1 - Procédé de contrôle de la pression intérieure d'un réservoir cryogénique - Google Patents

Procédé de contrôle de la pression intérieure d'un réservoir cryogénique Download PDF

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WO2024094561A1
WO2024094561A1 PCT/EP2023/080089 EP2023080089W WO2024094561A1 WO 2024094561 A1 WO2024094561 A1 WO 2024094561A1 EP 2023080089 W EP2023080089 W EP 2023080089W WO 2024094561 A1 WO2024094561 A1 WO 2024094561A1
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WO
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pressure
fluid
tank
compression
enthalpy
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PCT/EP2023/080089
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English (en)
Inventor
Félicien GEBEL
Pierre-Yves DUVIVIER
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Fives Cryomec AG
Original Assignee
Fives Cryomec AG
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Publication date
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Priority to CN202380077029.7A priority patent/CN120153204A/zh
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    • F17C2270/0165—Applications for fluid transport or storage on the road
    • F17C2270/0168—Applications for fluid transport or storage on the road by vehicles

Definitions

  • the invention belongs to the technical field of cryogenic tanks.
  • the invention relates more precisely to a method for controlling the internal pressure of a cryogenic tank.
  • the invention also relates to a storage installation for a cryogenic fluid.
  • cryogenic tank we mean any tank capable and designed to store gases in a liquefied form.
  • cryogenic fluid we mean any fluid that has been cooled to a temperature below its boiling point.
  • the invention applies particularly to cryogenic tanks capable of storing a cryogenic fluid at a pressure of less than 20 bar.
  • the pressure indicated here and the pressures indicated thereafter are in absolute bars.
  • Such tanks are commonly used to store cryogenic fluid, which, at atmospheric pressure, is liquid at a temperature below 273.15 K, in particular below 213.15 K. Conventionally, these tanks belong to a storage facility .
  • These storage installations are generally configured to, on the one hand, allow the distribution of the fluid to one or more requesting elements, and on the other hand, to be supplied with fluid from one or more external supply elements.
  • elements capable of receiving fluid from a reservoir may be vehicles configured to receive and store fluid.
  • external supply elements we can cite elements capable of supplying a reservoir with a quantity of fluid in liquid or gaseous form.
  • cryogenic fluid In such storage facilities, the cryogenic fluid is initially stored in the liquid state but inevitably develops evaporation gases so as to form, in the tank, both a liquid fraction at the bottom of the tank and a gaseous fraction at the bottom of the tank. top of the reservoir. Part of this gaseous fraction from the evaporation gases is usually evacuated to the atmosphere without being used. Conventionally, this evacuation is made possible by a protective member which comprises the tank such as a valve and/or a rupture disk allowing release of at least part of the gaseous fraction towards the outside in the event of pressure exceeding a limit in the reservoir. This limit is typically the maximum allowable pressure of the tank, a limit usually given by the manufacturer.
  • An aim of the present invention is therefore to overcome all or part of the drawbacks noted above.
  • the invention proposes a simple process, which is inexpensive to implement, which makes it possible to control the internal pressure of a cryogenic tank so as to prevent at least part of the gas fraction from being evacuated. out of the cryogenic tank due to an excessive rise in its internal pressure.
  • a method for controlling the internal pressure of a cryogenic tank containing a liquid fraction and a gaseous fraction of a fluid whose enthalpy can drop during isothermal compression in the liquid phase.
  • the process comprising the following steps: - sampling a portion of the liquid fraction to obtain a sampled portion defined at a state A by: - a first temperature T1, - a first press P1, - a first enthalpy E1, and - a first density D1, - substantially isothermal compression of the portion taken to obtain a compressed portion defined at a state B by: - a second temperature T2 substantially equal to the first temperature T1, - a second pressure P2 greater than the first pressure P1, and - a second density D2 greater than the first density D1, said compression being intended to lead to a reduction in enthalpies between the first enthalpy E1 of state A and a second enthalpy E2 of state B, - relaxation of the compressed portion to obtain a
  • the method according to the invention makes it possible to oppose an increase in the internal pressure of the cryogenic tank caused naturally by its ambient environment.
  • evacuation from the tank of part of the gas fraction for example by actuation of a safety valve or through the walls of the cryogenic tank, is avoided.
  • - the compression step leads to a continuous drop in the enthalpy of the portion taken from state A to state B, - the compression stage is stopped when the drop in enthalpy of the compressed portion is less than 0.1 kJ/kg for a pressure increase of 1 bar, - the fluid is hydrogen, - the third pressure P3 is greater than or substantially equal to the first pressure P1, - the expansion is a substantially isenthalpic expansion when this is carried out between the compression step and the injection step.
  • a storage installation for a liquid fraction and a gaseous fraction of a fluid configured to implement the process described above, the installation comprising: - a cryogenic tank intended to contain the fluid, - a means of collecting a portion of the liquid fraction, - a compressor means comprising a compressor element and a cooling element of the compressor element configured to maintain the temperature of the compressor element during the implementation of a compression with a view to achieving a substantially isothermal compression of the sampled portion to obtain a compressed portion, - a regulator means capable of relaxing the compressed portion to obtain a relaxed portion, and - an injector means capable of injecting the compressed portion or the relaxed portion into the cryogenic tank, installation in which the regulator means and the tank are either combined or distinct.
  • the installation according to the invention has the advantage of being compact and easy to implement. In addition, this installation is composed only of simple and economical elements.
  • the installation further comprises a buffer tank disposed between the compressor means and the expansion means, - the regulator means includes a rolling valve.
  • the invention may also relate to any alternative method or device comprising any combination of the characteristics above or below.
  • the storage installation of the exemplary embodiments of the invention described below comprises a tank 100 for storing fluid and in particular a two-phase mixture of liquid and gas.
  • Tank 100 is a cryogenic tank.
  • the fluid is a cryogenic fluid.
  • the reservoir 100 contains the fluid under a storage pressure greater than atmospheric pressure, for example under a pressure less than 20 bar, preferably less than 12 bar.
  • the reservoir 100 is preferably configured to store a volume of fluid of up to 50,000 L at an equilibrium temperature between 3.15 K and 213.15 K, preferably between 18.15 K and 73.15 K.
  • the fluid suitable for storage in the tank 100 is a fluid whose enthalpy can drop during isothermal compression in the liquid phase.
  • the fluid could be helium or hydrogen.
  • the suitable fluid can be defined by an enthalpy curve at constant temperature of the liquid fluid which has a substantially parabolic shape with an inflection point. The inflection point is reached when the Joule-Thomson coefficient characteristic of the liquid phase of the fluid is equal to zero. It should be noted that the inflection point of the enthalpy curve varies with temperature.
  • the fluid is hydrogen. It should be noted that the temperature of liquid hydrogen is less than 33.15 K at atmospheric pressure.
  • hydrogen within the meaning of the present invention, is meant a para hydrogen, an ortho hydrogen or a mixture of the two.
  • the reservoir 100 is preferably double-enveloped, comprising a first internal envelope intended to contain the fluid.
  • the tank 100 has optimized thermal insulation to minimize thermal exchanges between the exterior of the tank 100 and the fluid.
  • the first envelope is preferably surrounded by a second envelope and the tank 100 includes thermal insulation in the space between the two envelopes (in particular a vacuum space).
  • the fluid contained in the first envelope of the tank 100 forms a liquid fraction 1002 in the lower part, that is to say at the bottom of the tank 100, and a gaseous fraction 1004 in the upper part, that is to say at the top of the tank 100, separated by an upper surface of the liquid fraction 1002.
  • the reservoir 100 may include a protective member such as a valve and/or a rupture disc allowing fluid to be released to the outside in the event of pressure exceeding a limit in the first envelope.
  • a protective member such as a valve and/or a rupture disc allowing fluid to be released to the outside in the event of pressure exceeding a limit in the first envelope.
  • This limit is typically the maximum admissible pressure of tank 100 (given by the manufacturer).
  • the aim of the invention is to avoid the actuation of this protection member, the latter being present only in cases of extreme emergency, in particular if the process according to the invention malfunctions.
  • the reservoir 100 further comprises one or more means for measuring a parameter representative of the pressure of the fluid inside the first envelope of the reservoir 100.
  • measuring means one can cite a pressure gauge , an electronic pressure sensor or any other means of measuring a parameter representative of the pressure of a fluid known to those skilled in the art.
  • This reservoir 100 is further adapted to supply one or more demand elements with liquid preferably coming from a part of the liquid fraction 1002 extracted from the bottom of the reservoir 100 (demand elements not shown in the figures).
  • the tank 100 can therefore also include a supply pipe arranged to supply downstream to at least one requesting element at least part of the liquid fraction 1002 contained in the tank 100.
  • the supply line may include a vaporizer, or heater, and at least one valve to supply vaporized gas downstream rather than directly at least part of the liquid fraction 1002 extracted.
  • This heater can be a heat exchanger used to transform at least part of the liquid fraction 1002 drawn from the tank 100 into gas by exchange with the ambient atmosphere.
  • This reservoir 100 is also conventionally adapted to be supplied with fluid from one or more external supply elements (external supply elements not shown in the figures).
  • the reservoir 100 can therefore also include a supply circuit for the first envelope (supply circuit not shown in the figures).
  • this supply circuit comprises a first supply pipe having an upstream end intended to be connected to a first source of fluid (such as a hose from a container transported by a truck for example) and a downstream end connected to the lower part of the first envelope of the tank 100.
  • a first source of fluid such as a hose from a container transported by a truck for example
  • the supply circuit may comprise a second supply pipe having an upstream end intended to be connected to a second source of fluid and a downstream end connected to the upper part of the first casing of the reservoir 100.
  • the upstream ends of the first and second supply lines can be configured to be connected simultaneously to the same fluid source, for example at a common inlet or flange. In this case, the first and second sources of fluid are combined.
  • the upstream ends of the first and second supply lines may also each be configured to be connected simultaneously to different fluid sources.
  • the first and second fluid sources are distinct.
  • the supply circuit may include a distribution valve assembly configured to allow distribution of fluid from the fluid source or sources into either of the first or second supply lines.
  • any heat input into the tank 100 will cause partial vaporization of the liquid fraction 1002 of the fluid, which has the consequence of increasing the volume of the gas fraction 1004 .
  • the storage installation further comprises means 1006 for sampling a portion of the liquid fraction 1002 which is at least partly connected to the tank 100 in order to obtain a portion of the liquid fraction.
  • the sampling means 1006 is capable and configured to ensure that the extraction of a portion of the liquid fraction 1002 is always effective regardless of the level of the liquid fraction 1002 in the reservoir 100.
  • the means sampling 1006 includes a Cext extraction pipe having an upstream end connected to the first envelope, in particular to its lower part, and configured to allow the extraction of a portion of the liquid fraction 1002 contained in the first envelope towards the outside of the tank 100, in particular towards other elements of the storage installation, as soon as the internal pressure of the tank reaches a predetermined value.
  • the sampling means 1006 can for this purpose also comprise a controlled valve to enable extraction to be activated or not depending on the internal pressure of the tank 100.
  • the storage installation also includes elements for measuring the temperature and pressure of the portion of the liquid fraction extracted.
  • these measuring elements can be sensors known from the prior art.
  • the storage installation further comprises a compressor means 120.
  • the compressor means 120 is compression equipment 200 which contains a compressor element 210 configured to carry out compression and a cooling element 220 of the compressor element 210 which has the effect of cooling the compressor element 210 during the setting implementing compression, that is to say maintaining the compressor element 210 at temperature while avoiding overheating.
  • This allows the compression equipment 200 to carry out substantially isothermal compression of the portion of the liquid fraction 1002 extracted from the reservoir 100 by the sampling means 1006, in particular extracted by the Cext extraction pipe.
  • the temperature of the portion of the liquid fraction entering the compression equipment 200 is approximately equal to that of the compressed portion leaving the compression equipment 200.
  • the compression equipment 200 is preferably configured to compress the portion of the liquid fraction extracted at a pressure between 6 and 100 bar, at a temperature between 18.15 K to 43.15 K.
  • this pressure is preferably between 6 and 70 bar, or even between 6 and 40 bar, and at a temperature, preferably between 28.15 K and 33.15 K.
  • Such compression equipment 200 then has the advantage of combining the compression and cooling functions in a single device.
  • the compressor element 210 of the compression equipment 200 is preferably a piston type pump, but may also be a gear, lobe, centrifugal or other suitable pump configured to operate while it is immersed in a cryogenic liquid.
  • the cooling element 220 is preferably a device configured to cool the compressor element 210, in particular configured to cool the piston type pump, during its compression.
  • the cooling element 220 is a storage device defining an interior volume comprising a lower section 221 and an upper section 222.
  • This interior volume contains a volume of the portion of the liquid fraction 1002 taken, in particular which has been sucked up by the pump but which has not yet passed through it and which is therefore not yet compressed.
  • the volume of the portion of the liquid fraction 1002 taken contained in the storage device is sufficiently high to, preferably, cover the entirety of the lower section 221 in which the pump is located. In this way, the cold part of the pump is immersed in the volume of the portion of the liquid fraction 1002 which has been taken, while its hot part, which notably includes the transmission shaft 211, is placed in -outside this volume.
  • the storage device further comprises a supply line 223 of the internal volume of liquid fraction 1002 which has been taken.
  • the supply line 223 can be the Cext extraction pipe or may be a separate pipe connected to the Cext extraction pipe.
  • the supply pipe 223 is then connected to the sampling means 1006 and opens into the lower section 221 of the interior volume where an inlet E of the pump is preferably located.
  • the inlet E of the pump is then placed in contact with the bottom of the storage device, that is to say where the pressure is highest.
  • the storage device also includes an extraction pipe 212 connected to an outlet S of the pump through which the portion which has been compressed is extracted.
  • the extraction pipe 212 extends from the lower section 221 towards the upper section 222 and opens outside the interior volume.
  • the storage device also includes a degassing pipe 224 which opens into the upper section 222 of the interior volume.
  • the liquid fraction 1002 taken, before passing through the pump is then used as a refrigerating fluid and makes it possible to produce heat exchanges by direct contact with the pump in order to maintain it at temperature during compression.
  • the fact of having means which make it possible to induce heat exchanges directly at the level of the pump, and not to apply subsequently to the portion actually compressed, makes it possible to have a compact and simple to use compressor means.
  • Such a configuration has the effect of having a compact compressor means 120 in which the refrigerant fluid corresponds to that which was initially present in the tank 100 and which was taken via the sampling means 1006. This allows obvious savings in the measure where it is not necessary to bring a refrigerant from the outside.
  • the cooling element is a refrigeration unit configured to produce heat exchanges with the compression element and in which circulates a refrigerant fluid different from that used in the example described above, and capable of cooling the compressor element during the implementation of compression.
  • the cooling element is an envelope (or jacket) placed on the periphery of the compressor element and inside which part of the portion of the extracted liquid fraction 1002 circulates.
  • the part of the portion of the liquid fraction 1002 coming directly from the reservoir 100 and circulating in the envelope is defined by a temperature lower than that of the liquid fraction being compressed.
  • 20% to 30% of the extracted liquid fraction circulates in the envelope.
  • the compressor means 120 is connected downstream by a pipe C11 to an injector means 1008 which comprises the storage installation.
  • the injector means 1008 is capable of injecting the compressed portion leaving the compressor means 120 into the reservoir 100.
  • the compressor means 120 is capable and configured to carry out substantially isothermal compression and to provide a compressed portion defined by a predetermined pressure, for example between 6 and 100 bar , preferably between 6 and 70 bar, when the fluid is hydrogen and at a temperature between 18.15 K to 43.15 K, preferably between 28.15 K and 33.15 K when the fluid is hydrogen.
  • a predetermined pressure for example between 6 and 100 bar , preferably between 6 and 70 bar
  • a predetermined pressure for example between 6 and 100 bar , preferably between 6 and 70 bar
  • a predetermined pressure for example between 6 and 100 bar , preferably between 6 and 70 bar
  • a predetermined pressure for example between 6 and 100 bar , preferably between 6 and 70 bar
  • Such a compressor means 120 has the advantage of avoiding relaxation of the compressed portion before it is injected into the tank 100.
  • the tank 100 is behaves like a regulator.
  • the reservoir is then configured to relax the compressed portion injected into the reservoir 100 by the injector means 1008. This is made possible because in this case, the pressure difference between the compressed portion coming from the compressor means 120 and the internal pressure of the reservoir 100 does not exceed 70 bar. This is also made possible because in this case, the temperature of the compressed portion coming from the compressor means 120 and the internal temperature of the tank 100 are substantially equal.
  • the compressor means 120 is connected to a holder means 160 by a pipe C12, the regulator means 160 itself being connected to the injector means 1008 by another pipe C22.
  • the regulator means 160 is connected upstream to the compressor means 120 and connected downstream to the injector means 1008. The association of the compressor means 120 and the regulator means 160 makes it possible in particular to control, or adjust, the pressure of the compressed portion obtained at the outlet of the compressor means 120.
  • the compressor means 120 is capable and configured to carry out substantially isothermal compression and to provide a compressed portion defined by a predetermined pressure, for example between 6 and 100 bar, preferably between 6 and 70 bar when the fluid is hydrogen, and at a temperature between 18.15 K to 43.15 K, preferably between 28.15 K and 33.15 K when the fluid is hydrogen.
  • the expansion means is capable and configured to achieve a preferably isenthalpic expansion of the compressed portion and to provide a relaxed portion defined by a predetermined pressure, for example less than 20 bar, preferably less than 12 bar when the fluid is hydrogen.
  • the expansion means 160 is configured to carry out an expansion, preferably isenthalpic, at a temperature between 3.15 K and 213.15 K, preferably between 18.15 K and 73.15 K when the fluid is hydrogen .
  • the regulator means 160 comprises a valve.
  • the valve may be a disc or porous orifice valve.
  • the regulator means 160 comprises a rolling valve 162.
  • This rolling valve 162 makes it possible to precisely regulate the pressure of the compressed portion, then to adjust the pressure of the compressed and then relaxed portion .
  • This rolling valve can, for example, be a Joule-Thompson valve.
  • the pressure difference between the compressed portion coming from the compressor means 120 and the relaxed portion coming from the regulator means 160 is preferably between 6 and 70 bar.
  • the temperature of the compressed portion coming from the compressor means 120 is higher than the relaxed portion.
  • the injector means 1008 is then configured to inject into the reservoir 100 the relaxed portion which has been previously compressed.
  • the storage installation comprises in particular the compressor means 120, the regulator means 160 and the injector means 1008 of the second example of embodiment and further comprises a buffer tank 140 upstream of which the compressor means 120 is connected by a first pipe of transfer C13.
  • the buffer tank 140 is downstream connected, by a second transfer pipe C23, to the regulator means 160.
  • the buffer tank 140 is therefore in particular arranged between the compressor means 120 and the regulator means 160.
  • This buffer tank 140 makes it possible to store several volumes of compressed portions before carrying out an overall expansion in the regulator means 160 of these several volumes of compressed portions.
  • the buffer tank 140 is configured to allow the passage of the volume it contains towards the regulator means 160 once its internal pressure has reached a predetermined value, for example between 6 and 70 bar.
  • the injector means 1008 is connected to the regulator means 160 by a third transfer line C33.
  • the injector means 1008 is able to inject into the reservoir 100 the compressed then relaxed portion leaving the regulator means 160.
  • one or more of the pipes included in this storage installation can be provided with at least one own valve and/or a regulating means capable of controlling the flow of fluid circulating inside them. this.
  • one or more of the pipes included in this storage installation advantageously comprise thermal insulation envelopes (thermal insulation envelopes not shown in the figures).
  • the storage facility is in a closed cycle.
  • the tank 100 contains the fluid, preferably liquid hydrogen, forming the liquid fraction 1002 and the gaseous fraction 1004.
  • a step of supplying the tank 100 is carried out via the supply circuit.
  • This supply step is preferably carried out via a transfer of liquid hydrogen, using the first supply line of the supply circuit, from the first source of liquid hydrogen to the first casing of the tank 100.
  • a step of supplying requesting elements can be carried out via the supply line at any time during the process, in particular simultaneously or not with the implementation of one or more steps of the process according to the invention.
  • This feeding step can be carried out several times during the process according to the invention.
  • thermodynamic equilibrium takes place in the tank 100 to have an identical pressure between the gas fraction 1004 and the liquid fraction 1002.
  • a heat exchange generally takes place in the tank 100 and results in heating of the liquid fraction 1002.
  • the thermodynamic equilibrium will change accordingly.
  • a portion of the liquid fraction 1002 equivalent to the heat loss then vaporizes.
  • the gas fraction 1004 and the pressure increase in the tank 100. However, if the increase in the gas fraction 1004 and the pressure is too great, it becomes difficult, if not impossible, to supply the tank 100.
  • a portion of the liquid fraction 1002 of the fluid is therefore taken, during a sampling step, from the reservoir 100 via the extraction pipe Cext.
  • the sampling step is preferably implemented after carrying out a step of measuring a parameter representative of the pressure of the gas fraction 1004 and/or a parameter representative of the pressure of the liquid fraction 1002. Depending on one and/or the other of these two parameters, the sampling step and the steps which follow are implemented.
  • the portion taken which is in state A does not have a gas phase and only consists of a liquid phase.
  • this sampled portion is then found on the liquid saturation curve characteristic of the fluid.
  • point A can be located far from or substantially close to the liquid saturation curve characteristic of the fluid, while still being in the liquid part.
  • the pressure of the gas fraction 1004 is regulated at the top of the tank 100 so that this pressure remains lower than a predetermined value, for example lower than 20 bar, of preferably less than 12 bar when the fluid is hydrogen.
  • the sampling step is carried out discontinuously.
  • the sampling step can be implemented each time the internal pressure of the tank 100 becomes equal to or greater than the predetermined value.
  • the flow rate and the volume of the liquid portion of the extracted fluid are determined by the characteristics of the compressor means 120, that is to say by a nominal flow rate.
  • this sampled portion is compressed in the compressor means 120.
  • This compression is a substantially isothermal compression following which we obtain a compressed portion defined at a state B by: - a second temperature T2 substantially equal to the first temperature T1, - a second pressure P2 greater than the first pressure P1, and - a second density D2 greater than the first density D1.
  • the compression step is carried out over a pressure range of between 6 and 100 bar, preferably between 6 and 70 bar when the fluid is hydrogen. It should be noted that the pressure rise associated with this compression is inherent to the characteristics of the compressed fluid.
  • compression is capable of leading to a reduction in enthalpy between the first enthalpy E1 of state A and a second enthalpy E2 of state B over a predefined range of pressures.
  • the compression between state A and state B is substantially isentropic.
  • This reduction in enthalpy is permitted because the Joule-Thomson coefficient (in K/bar) is positive for the predefined pressure range while the compression is substantially isothermal.
  • the positive nature of the Joule-Thomson coefficient for a phase with liquid saturation is illustrated by the fact that, for this predefined pressure range, the slope of the curve showing the evolution of the enthalpy (in kJ/kg) as a function of pressure (in bar) is negative. This compression is irreversible.
  • the compression step leads to a continuous drop in the enthalpy of the portion taken from state A to state B.
  • the compression step is carried out from state A to state B as long as the Joule-Thomson coefficient characteristic of the fluid is positive. This helps maximize the efficiency of the installation.
  • the compression step is advantageously stopped when the drop in enthalpy of the compressed portion is less than 0.1 kJ/kg for a pressure increase of 1 bar. It should be noted that if the compression stage continued while the drop in enthalpies was less than 0.1 kJ/kg, it would be difficult to exploit the inflection point of the enthalpy curve at constant temperature without using a large quantity of energies.
  • the compressed portion then circulates in the transfer line C11 which connects the compressor means 120 to the injector means 1008.
  • the compressed portion then circulates in the transfer pipe C12 which connects the compressor means 120 to the regulator means 160 or in the transfer line C13 which connects the compressor means 120 to the buffer tank 140.
  • the compressor means 120 is connected to the buffer tank 140, once the internal pressure of the buffer tank 140 reaches a predetermined pressure and preferably between 6 and 70 bar, the compressed portion which has been stored in the buffer tank 140 then circulates in the second transfer pipe C23 which leads to the regulator means 160.
  • the compressed portion then undergoes expansion to obtain a relaxed portion defined at a state C by: - a third temperature T3 lower than the second temperature T2, - a third pressure P3 lower than the second pressure P2, and - a third density D3 lower than the second density D2 and higher than the first density D1.
  • the expansion takes place during or after the completion of a step of injecting the compressed portion into the reservoir 100, when the reservoir 100 is also the expansion means.
  • state C is defined as being the state of equilibrium in the reservoir 100 after injection into the latter of the compressed portion.
  • the expansion can therefore be initiated during the injection and take place in the reservoir 100.
  • relaxation is not isenthalpic.
  • the portion injected into the reservoir 100 is also defined by a third enthalpy E3 which is lower than the first enthalpy E1 of the portion taken. This implies a reduction in the internal temperature of the tank 100 after thermodynamic equilibrium.
  • the expansion takes place between the compression step and a subsequent step of injection of the expanded portion into the tank 100 when the installation includes a pressure reducing means 160 distinct from the reservoir 100.
  • the state C is defined as being the state in which the relaxed portion finds itself before being injected into the reservoir 100.
  • the expansion is preferably isenthalpic.
  • Such isenthalpic relaxation has the advantage of not generating heat.
  • the relaxed portion is found substantially on the liquid saturation curve characteristic of the fluid.
  • P3 can be between P1 and P2, preferably between P1 and the liquid saturation pressure of the fluid to which is added 0.1 bar. Furthermore, by proceeding in this way, the injection into the reservoir 100 of the portion to be injected is facilitated.
  • the portion injected into the reservoir 100 is also defined by a third enthalpy E3 which is lower than the first enthalpy E1 of the portion taken. This implies a reduction in the internal temperature of the tank 100 after thermodynamic equilibrium.
  • the portion injected into the reservoir 100 is, among other things, defined by a third temperature T3 lower than the first temperature T1 so as to compensate for any possible heating in the reservoir 100. By proceeding in this way, an increase in temperature is therefore avoided. the pressure inside the tank 100 which would have been inevitable if the method according to the invention had not been implemented.
  • the storage installation according to the second embodiment was implemented with hydrogen as fluid.
  • the enthalpy curve at constant liquid hydrogen temperatures approximately equal to 30K has a substantially parabolic shape.
  • state B we find our at the inflection point of the enthalpy curve, the inflection point corresponding to a minimum enthalpy over a pressure range between 8 bar and 30 bar.
  • This table indicates values of temperatures (in K), pressures (in bar), densities (in kg/m 3 ), volumes (in m 3 /kg), specific internal energies (kJ/kg) and enthalpies (kJ/kg ) of hydrogen initially contained in the tank 100 and then circulating in the installation described above according to the process according to the invention described above so as to find itself in the aforementioned states A, B, C and that we found on the .

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Abstract

L'invention concerne un procédé de contrôle de la pression intérieure d'un réservoir (100) cryogénique contenant une fraction liquide (1002) et une fraction gazeuse (1004) d'un fluide dont l'enthalpie peut baisser lors d'une compression isothermique en phase liquide.

Description

Procédé de contrôle de la pression intérieure d’un réservoir cryogénique Domaine technique de l'invention
L'invention appartient au domaine technique des réservoirs cryogéniques. L’invention concerne plus précisément un procédé de contrôle de la pression intérieure d'un réservoir cryogénique. L’invention concerne par ailleurs une installation de stockage d’un fluide cryogénique.
Par réservoir cryogénique, on entend tout réservoir apte et conçu pour stocker des gaz sous une forme liquéfiée.
Par fluide cryogénique, on entend tout fluide qui a été refroidi à une température inférieure à son point d'ébullition.
 Arrière-plan technique
L'invention s'applique tout particulièrement à des réservoirs cryogéniques aptes à stocker un fluide cryogénique à une pression inférieure à 20 bar. La pression indiquée ici et les pressions indiquées par la suite sont en bars absolus.
De tels réservoirs sont couramment utilisés pour stocker le fluide cryogénique, qui, à la pression atmosphérique, est liquide à une température inférieure à 273,15 K, en particulier inférieure à 213,15 K. Classiquement, ces réservoirs appartiennent à une installation de stockage.
Ces installations de stockage sont généralement configurées pour, d’une part, permettre la distribution du fluide à un ou plusieurs éléments demandeurs, et d’autre part, être approvisionnées en fluide depuis un ou plusieurs éléments extérieurs d’approvisionnement.
Par exemple, comme éléments demandeurs, on peut citer des éléments aptes à recevoir du fluide depuis un réservoir. Par exemple, ces éléments peuvent être des véhicules configurés pour recevoir et stocker du fluide.
Par exemple, comme éléments extérieurs d’approvisionnement, on peut citer des éléments aptes à fournir à un réservoir une quantité de fluide sous forme liquide ou gazeuse.
Dans de telles installations de stockage, le fluide cryogénique est initialement stocké à l'état liquide mais développe inévitablement des gaz d'évaporation de sorte à former, dans le réservoir, à la fois une fraction liquide au fond du réservoir et une fraction gazeuse au sommet du réservoir. Une partie de cette fraction gazeuse issue des gaz d’évaporation est habituellement évacuée à l'atmosphère sans être utilisée. Classiquement, cette évacuation est rendue possible par un organe de protection que comprend le réservoir tel qu'une soupape et/ou un disque de rupture permettant une libération d’une partie au moins de la fraction gazeuse vers l'extérieur en cas de pression excédant une limite dans le réservoir. Cette limite est typiquement la pression maximale admissible du réservoir, limite habituellement donnée par le constructeur.
Toutefois, les gaz d’évaporation libérés à l'atmosphère constituent un inconvénient à la fois écologique et économique.
C’est pourquoi, divers systèmes et procédés de gestion de la pression intérieure d’un réservoir ont été envisagés pour éviter l’évacuation de ces gaz d’évaporation vers l’extérieur. Ces systèmes et procédés consistent, soit à consommer une portion de la fraction liquide contenue dans le réservoir de sorte à abaisser régulièrement la pression intérieure du réservoir, soit à extraire du réservoir une partie de la fraction gazeuse et à la recomprimer via un système complexe et onéreux de compression gazeuse.
Cependant, pour des raisons écologiques et économiques évidentes, de telles solutions ne peuvent être envisagées pour des applications commerciales à des installations de stockage.
Un but de la présente invention est donc de pallier tout ou partie des inconvénients relevés ci-dessus.
A cette fin, l’invention propose un procédé simple, dont sa mise en œuvre est peu onéreuse, qui permet de contrôler la pression intérieure d’un réservoir cryogénique de sorte à éviter qu’une partie au moins de la fraction gazeuse ne soit évacuée hors du réservoir cryogénique en raison d’une élévation trop importante de sa pression intérieure.
A cet effet, il est proposé en premier lieu un procédé de contrôle de la pression intérieure d’un réservoir cryogénique contenant une fraction liquide et une fraction gazeuse d’un fluide dont l’enthalpie peut baisser lors d’une compression isothermique en phase liquide, le procédé comprenant les étapes suivantes :
- prélèvement d’une portion de la fraction liquide pour obtenir une portion prélevée définie à un état A par :
- une première température T1,
- une première pression P1,
- une première enthalpie E1, et
- une première densité D1,
- compression sensiblement isothermique de la portion prélevée pour obtenir une portion comprimée définie à un état B par :
- une deuxième température T2 sensiblement égale à la première température T1,
- une deuxième pression P2 supérieure à la première pression P1, et
- une deuxième densité D2 supérieure à la première densité D1,
ladite compression étant destinée à conduire à une diminution d’enthalpies entre la première enthalpie E1 de l’état A et une deuxième enthalpie E2 de l’état B,
- détente de la portion comprimée pour obtenir une portion détendue définie à un état C par :
- une troisième température T3 inférieure à la deuxième température T2,
- une troisième pression P3 inférieure à la deuxième pression P2, et
- une troisième densité D3 inférieure à la deuxième densité D2 et supérieure à la première densité D1,
- injection de la portion comprimée ou de la portion détendue dans le réservoir de stockage,
ladite détente étant réalisée pendant ou après l’étape d’injection lorsque la portion comprimée est injectée dans le réservoir, ou
ladite détente étant réalisée entre l’étape de compression et l’étape d’injection lorsque la portion détendue est injectée dans le réservoir.
Le procédé selon l’invention permet de s’opposer à une augmentation de la pression intérieure du réservoir cryogénique causée naturellement par son environnement ambiant. Ainsi, une évacuation hors du réservoir d’une partie de la fraction gazeuse, par exemple par l’actionnement d’une soupape de sécurité ou au travers des parois du réservoir cryogénique, est évitée.
Diverses caractéristiques supplémentaires peuvent être prévues seules ou en combinaison :
- l’étape de compression conduit à une baisse continue de l’enthalpie de la portion prélevée depuis l’état A jusqu’à l’état B,
- l’étape de compression est arrêtée lorsque la baisse d’enthalpie de la portion comprimée est inférieure à 0,1 kJ/kg pour une hausse de pression de 1 bar,
- le fluide est de l’hydrogène,
- la troisième pression P3 est supérieure ou sensiblement égale à la première pression P1,
- la détente est une détente sensiblement isenthalpique lorsque celle-ci est réalisée entre l’étape de compression et l’étape d’injection.
Il est proposé en deuxième lieu une installation de stockage d’une fraction liquide et d’une fraction gazeuse d’un fluide configurée pour mettre en œuvre le procédé ci-avant décrit, l’installation comprenant :
- un réservoir cryogénique destiné à contenir le fluide,
- un moyen de prélèvement d’une portion de la fraction liquide,
- un moyen compresseur comportant un élément compresseur et un élément de refroidissement de l’élément compresseur configuré pour maintenir à température l’élément compresseur au cours de la mise en œuvre d’une compression en vue de réaliser une compression sensiblement isothermique de la portion prélevée pour obtenir une portion comprimée,
- un moyen détendeur apte à réaliser une détente de la portion comprimée pour obtenir une portion détendue, et
- un moyen injecteur apte à injecter dans le réservoir cryogénique la portion comprimée ou la portion détendue,
installation dans laquelle le moyen détendeur et le réservoir sont, soit confondus, soit distincts.
L’installation selon l’invention présente l’avantage d’être compacte et facile à mettre en œuvre. En outre, cette installation est composée uniquement d’éléments simples et économiques.
Diverses caractéristiques supplémentaires peuvent être prévues seules ou en combinaison :
- l’installation comprend en outre un réservoir tampon disposé entre le moyen compresseur et le moyen détendeur,
- le moyen détendeur comprend une vanne de laminage.
L'invention peut concerner également tout procédé ou dispositif alternatif comprenant toute combinaison des caractéristiques ci-dessus ou ci-dessous.
 Brève description des figures
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront au cours de la lecture de la description détaillée qui va suivre pour la compréhension de laquelle on se reportera aux dessins annexés dans lesquels :
La est une représentation schématique d’une installation de stockage selon un premier exemple de réalisation de l’invention.
La est une représentation schématique d’une installation de stockage selon un deuxième exemple de réalisation de l’invention.
La est une représentation schématique d’une installation de stockage selon un troisième exemple de réalisation de l’invention.
La est un diagramme montrant l’évolution de l’enthalpie (en kJ/kg) en fonction de la pression (en bar) d’une partie d’une fraction liquide d’hydrogène extraite d’un réservoir d’une installation de stockage selon l’invention.
La est un diagramme montrant l’évolution du coefficient de Joule-Thomson (en K/bar) en fonction de la température (en K) pour différentes pressions d’une partie d’une fraction liquide d’hydrogène extraite d’un réservoir d’une installation de stockage selon l’invention.
La est une représentation schématique d’un exemple d’un moyen compresseur destiné à être utilisé dans une installation de stockage selon un exemple de réalisation de l’invention.
 Description détaillée de l'invention
Dans la description qui va suivre, des éléments identiques, similaires ou analogues seront désignés par les mêmes références alphanumériques.
L’installation de stockage des exemples de réalisation de l’invention ci-après décrit comprend un réservoir 100 de stockage de fluide et notamment d'un mélange diphasique de liquide et de gaz.
Le réservoir 100 est un réservoir cryogénique.
Le fluide est un fluide cryogénique.
Le réservoir 100 contient le fluide sous une pression de stockage supérieure à la pression atmosphérique, par exemple sous une pression inférieure à 20 bar, de préférence inférieure à 12 bar. Le réservoir 100 est de préférence configuré pour stocker un volume de fluide allant jusqu’à 50 000 L à une température d’équilibre comprise entre 3,15 K et 213,15 K, de préférence comprise entre 18,15 K et 73,15 K.
Le fluide adapté à être stocké dans le réservoir 100 est un fluide dont l’enthalpie peut baisser lors d’une compression isothermique en phase liquide. Par exemple, le fluide peut être de l’hélium ou de l’hydrogène. Le fluide adapté peut être défini par une courbe enthalpique à température constante du fluide liquide qui présente une forme sensiblement parabolique avec un point d’inflexion. Le point d’inflexion est atteint lorsque le coefficient de Joule-Thomson caractéristique de la phase liquide du fluide est égal à zéro. Il est à noter que le point d'inflexion de la courbe enthalpique varie avec la température.
Avantageusement, le fluide est de l’hydrogène. Il est à noter que la température de l’hydrogène liquide est inférieure à 33,15 K à pression atmosphérique.
Par hydrogène, au sens de la présente invention, on entend un para hydrogène, un ortho hydrogène ou un mélange des deux.
Le réservoir 100 est de préférence à double enveloppe, comprenant une première enveloppe interne destinée à contenir le fluide. De cette façon, le réservoir 100 présente une isolation thermique optimisée pour minimiser les échanges thermiques entre l’extérieur du réservoir 100 et le fluide.
La première enveloppe est de préférence entourée d'une seconde enveloppe et le réservoir 100 comprend une isolation thermique dans l'espacement entre les deux enveloppes (notamment un espace sous vide).
Le fluide contenu dans la première enveloppe du réservoir 100 forme une fraction liquide 1002 en partie inférieure, c’est-à-dire au fond du réservoir 100, et une fraction gazeuse 1004 en partie supérieure, c’est-à-dire au sommet du réservoir 100, séparés par une surface supérieure de la fraction liquide 1002.
Classiquement, le réservoir 100 peut comprendre un organe de protection tel qu'une soupape et/ou un disque de rupture permettant une libération de fluide vers l'extérieur en cas de pression excédant une limite dans la première enveloppe. Cette limite est typiquement la pression maximale admissible du réservoir 100 (donnée par le constructeur). Cependant, l’invention a pour but d’éviter l’actionnement de cet organe de protection, celui-ci étant présent uniquement en cas d’extrême urgence, en particulier si le procédé selon l’invention dysfonctionne.
De préférence, le réservoir 100 comprend en outre un ou plusieurs moyens de mesure d’un paramètre représentatif de la pression du fluide à l’intérieure de la première enveloppe du réservoir 100. Par exemple, comme moyen de mesure, on peut citer un manomètre, un capteur de pression électronique ou tout autre moyen de mesure d’un paramètre représentatif de la pression d’un fluide connu de l’homme du métier.
Ce réservoir 100 est en outre adapté pour alimenter un ou plusieurs éléments demandeurs en liquide de préférence issu d’une partie de la fraction liquide 1002 extrait du fond du réservoir 100 (éléments demandeurs non représentés sur les figures).
Le réservoir 100 peut donc comporter en outre une conduite d’alimentation agencée pour fournir en aval à au moins un élément demandeur une partie au moins de la fraction liquide 1002 contenue dans le réservoir 100.
La conduite d’alimentation peut comporter un vaporiseur, ou réchauffeur, et au moins une vanne pour fournir en aval du gaz vaporisé plutôt que directement la partie au moins de la fraction liquide 1002 extraite. Ce réchauffeur peut être un échangeur thermique servant à transformer la partie au moins de la fraction liquide 1002 puisée dans le réservoir 100 en gaz par échange avec l'atmosphère ambient.
Ce réservoir 100 est également classiquement adapté pour être approvisionné en fluide depuis un ou plusieurs éléments extérieurs d’approvisionnement (éléments extérieurs d’approvisionnement non représentés sur les figures).
Le réservoir 100 peut donc comprendre en outre un circuit d’approvisionnement de la première enveloppe (circuit d’approvisionnement non représenté sur les figures).
Par exemple, ce circuit d’approvisionnement comprend une première conduite d’approvisionnement ayant une extrémité amont destinée à être reliée à une première source de fluide (tel qu'un flexible d'un conteneur transporté par un camion par exemple) et une extrémité aval reliée à la partie inférieure de la première enveloppe du réservoir 100.
Le circuit d’approvisionnement peut comprendre une deuxième conduite d’approvisionnement ayant une extrémité amont destinée à être reliée à une deuxième source de fluide et une extrémité aval reliée à la partie supérieure de la première enveloppe du réservoir 100.
Les extrémités amonts des première et deuxième conduites d’approvisionnement peuvent être configurées pour être raccordées simultanément à la même source de fluide, par exemple au niveau d'une entrée ou bride commune. Dans ce cas, la première et deuxième sources de fluide sont confondues.
Les extrémités amonts des première et deuxième conduites d’approvisionnement peuvent également chacune être configurée pour être raccordée simultanément à des sources de fluides différentes. Dans ce cas, la première et deuxième sources de fluide sont distinctes.
Le circuit d’approvisionnement peut comporter un ensemble de vanne (s) de répartition configuré pour permettre une répartition du fluide provenant de la source ou des sources de fluide dans l’une ou l'autre des première ou deuxième conduites d’approvisionnement.
Il est à noter que, lors de l’approvisionnement du réservoir 100, tout apport de chaleur dans le réservoir 100 provoquera une vaporisation partielle de la fraction liquide 1002 du fluide, ce qui a pour conséquence d’augmenter le volume de la fraction gazeuse 1004.
L’installation de stockage comprend en outre un moyen de prélèvement 1006 d’une portion de la fraction liquide 1002 qui est au moins en partie connecté au réservoir 100 afin d’obtenir une portion de la fraction liquide. Le moyen de prélèvement 1006 est apte et configuré pour s’assurer que l’extraction d’une portion de la fraction liquide 1002 est toujours effective quel que soit le niveau de la fraction liquide 1002 dans le réservoir 100. À cette fin, le moyen de prélèvement 1006 comporte une conduite d’extraction Cext ayant une extrémité amont reliée à la première enveloppe, en particulier à sa partie inférieure, et configurée pour permettre l’extraction d’une portion de la fraction liquide 1002 contenue dans la première enveloppe vers l'extérieur du réservoir 100, en particulier vers d’autres éléments de l’installation de stockage, dès que la pression intérieure du réservoir atteint une valeur prédéterminée. Par exemple, le moyen de prélèvement 1006 peut à cet effet en outre comprendre une vanne pilotée pour permettre d’activer ou non l’extraction en fonction de la pression intérieure du réservoir 100.
De préférence, l’installation de stockage comprend également des éléments de mesure de la température et de la pression de la portion de la fraction liquide extraite. Par exemple, ces éléments de mesure peuvent être des capteurs connus de l’art antérieur.
L’installation de stockage comprend en outre un moyen compresseur 120.
Dans un exemple de réalisation tel que celui illustré en , le moyen compresseur 120 est un équipement de compression 200 qui contient un élément compresseur 210 configuré pour réaliser la compression et un élément de refroidissement 220 de l’élément compresseur 210 qui a pour effet de refroidir l’élément compresseur 210 au cours de la mise en œuvre de la compression, c’est-à-dire de maintenir l’élément compresseur 210 à température en évitant son échauffement. Cela permet à l’équipement de compression 200 de réaliser une compression sensiblement isothermique de la portion de la fraction liquide 1002 extraite du réservoir 100 par le moyen de prélèvement 1006, en particulier extraite par la conduite d’extraction Cext. En d’autres termes, la température de la portion de la fraction liquide entrant dans l’équipement de compression 200 est environ égale à celle de la portion comprimée sortant de l’équipement de compression 200.
L’équipement de compression 200 est, de préférence, configuré pour comprimer la portion de la fraction liquide extraite à une pression comprise entre 6 et 100 bar, à une température comprise entre 18,15 K à 43,15 K. Lorsque le fluide est de l’hydrogène, cette pression est de préférence comprise entre 6 et 70 bar, ou même entre 6 et 40 bar, et à une température, de préférence comprise entre 28,15 K et 33,15 K.
Un tel équipement de compression 200 présente alors l’avantage de combiner les fonctions de compression et de refroidissement en un seul dispositif.
L’élément compresseur 210 de l’équipement de compression 200 est, de préférence, une pompe du type à piston, mais peut également être une pompe à engrenage, à lobes, centrifuge ou toute autre pompe appropriée configurée pour fonctionner alors qu’elle est immergée dans un liquide cryogénique.
L’élément de refroidissement 220 est de préférence un dispositif configuré pour refroidir l’élément compresseur 210, en particulier configuré pour refroidir la pompe du type à piston, au cours de la réalisation de sa compression. De préférence, comme illustré dans la , l’élément de refroidissement 220 est un dispositif de stockage définissant un volume intérieur comprenant une section inférieure 221 et une section supérieure 222. Ce volume intérieur contient un volume de la portion de la fraction liquide 1002 prélevée, en particulier qui a été aspirée par la pompe mais qui ne l’a pas encore traversée et qui n’est donc pas encore comprimée. Le volume de la portion de la fraction liquide 1002 prélevée contenu dans le dispositif de stockage est suffisamment élevé pour, de préférence, couvrir l’intégralité de la section inférieure 221 dans laquelle la pompe se trouve. De cette façon, la partie froide de la pompe est immergée dans le volume de la portion de la fraction liquide 1002 qui a été prélevée, alors que sa partie chaude, qui comprend notamment l’arbre de transmission 211, est quant à elle placée en-dehors de ce volume.
Le dispositif de stockage comporte en outre une conduite d’alimentation 223 du volume intérieur en fraction liquide 1002 qui a été prélevée. La conduite d’alimentation 223 peut être la conduite d’extraction Cext ou peut être une conduite distincte reliée à la conduite d’extraction Cext. La conduite d’alimentation 223 est alors connectée au moyen prélèvement 1006 et débouche dans la section inférieure 221 du volume intérieur où se situe, de préférence, une entrée E de la pompe. L’entrée E de la pompe est alors disposée au contact du fond du dispositif de stockage, c’est-à-dire où la pression est la plus élevée. Le dispositif de stockage comporte également une conduite d’extraction 212 connectée à une sortie S de la pompe par laquelle est extraite la portion qui a été comprimée. Par exemple, la conduite d’extraction 212 s’étend depuis la section inférieure 221 vers la section supérieure 222 et débouche à l’extérieur du volume intérieur.
Le dispositif de stockage comporte également une conduite de dégazage 224 qui débouche dans la section supérieure 222 du volume intérieur.
Dans cet exemple de réalisation, la fraction liquide 1002 prélevée, avant son passage dans la pompe, est utilisée alors comme fluide réfrigérant et permet de produire des échanges thermiques par contact direct avec la pompe afin de la maintenir à température au cours de la compression. Le fait de disposer de moyens qui permettent d’induire des échanges thermiques directement au niveau de la pompe, et non de s’appliquer ultérieurement à la portion effectivement comprimée, permet de disposer d’un moyen compresseur compact et simple à utiliser.
Une telle configuration a pour effet d’avoir un moyen compresseur 120 compact dans lequel le fluide réfrigérant correspond à celui qui était initialement présent dans le réservoir 100 et qui a été prélevée via le moyen de prélèvement 1006. Cela permet des économies évidentes dans la mesure où il n’est pas nécessaire d’apporter de l’extérieur un fluide réfrigérant.
Dans un autre exemple de réalisation, l’élément de refroidissement est un groupe de réfrigération configuré pour produire des échanges thermiques avec l’élément de compression et dans lequel circule un fluide réfrigérant différent de celui utilisé dans l’exemple ci-avant décrit, et apte à refroidir l’élément compresseur lors de la mise en œuvre de la compression.
Dans un autre exemple de réalisation, l’élément de refroidissement est une enveloppe (ou chemise) disposée sur la périphérie de l’élément compresseur et à l’intérieur de laquelle circule une partie de la portion de la fraction liquide 1002 extraite. Ainsi, la partie de la portion de la fraction liquide 1002 provenant directement du réservoir 100 et circulant dans l’enveloppe est définie par une température inférieure à celle de la fraction liquide en cours de compression. Par exemple, 20% à 30 % de la fraction liquide extraite circule dans l’enveloppe. De préférence, après que la partie de la portion de la fraction liquide extraite a circulée dans l’enveloppe, celle-ci est réintroduite dans le réservoir 100 au niveau de sa partie basse. Cela permet également des économies évidentes dans la mesure où il n’est pas nécessaire d’apporter de l’extérieur un fluide réfrigérant.
Dans un premier exemple de réalisation (exemple de réalisation représenté sur la ), le moyen compresseur 120 est relié en aval par une canalisation C11 à un moyen injecteur 1008 que comprend l’installation de stockage. Le moyen injecteur 1008 est apte à injecter dans le réservoir 100 la portion comprimée sortant du moyen compresseur 120.
Dans ce premier exemple de réalisation, le moyen compresseur 120, éventuellement associé à l’élément extérieur, est apte et configuré pour réaliser une compression sensiblement isothermique et pour fournir une portion comprimée définie par une pression prédéterminée, par exemple comprise entre 6 et 100 bar, de préférence entre 6 et 70 bar, lorsque le fluide est de l’hydrogène et à une température comprise entre 18,15 K à 43,15 K, de préférence entre 28,15 K et 33,15 K lorsque le fluide est de l’hydrogène. Par exemple, comme moyen compresseur 120 adapté à ce premier exemple de réalisation, on peut citer des pistons, des pompes à engrenages ou encore des pompes à lobes.
L’utilisation d’un tel moyen compresseur 120 présente l’avantage d’éviter une détente de la portion comprimée avant que celle-ci ne soit injectée dans le réservoir 100. En effet, dans ce premier exemple de réalisation, le réservoir 100 se comporte comme un moyen détendeur. Le réservoir est alors configuré pour détendre la partie comprimée injectée dans le réservoir 100 par le moyen injecteur 1008. Cela est rendu possible car dans ce cas, la différence de pression entre la portion comprimée issue du moyen compresseur 120 et la pression intérieure du réservoir 100 n’excède pas 70 bar. Cela est également rendu possible car dans ce cas, la température de la portion comprimée issue du moyen compresseur 120 et la température intérieure du réservoir 100 sont sensiblement égales.
Dans un deuxième exemple de réalisation (exemple de réalisation représenté sur la ), le moyen compresseur 120 est relié à un moyen détenteur 160 par une canalisation C12, le moyen détendeur 160 étant lui-même relié au moyen injecteur 1008 par une autre canalisation C22. Autrement dit, le moyen détendeur 160 est relié en amont au moyen compresseur 120 et relié en aval au moyen injecteur 1008. L’association du moyen compresseur 120 et du moyen détendeur 160 permet notamment de contrôler, ou d’ajuster, la pression de la portion comprimée obtenue en sortie du moyen compresseur 120. Le moyen compresseur 120, éventuellement associé à l’élément extérieur, est apte et configuré pour réaliser une compression sensiblement isothermique et pour fournir une portion comprimée définie par une pression prédéterminée, par exemple comprise entre 6 et 100 bar, de préférence comprise entre 6 et 70 bar lorsque le fluide est de l’hydrogène, et à une température comprise entre 18,15 K à 43,15 K, de préférence entre 28,15 K et 33,15 K lorsque le fluide est de l’hydrogène. Le moyen détendeur est apte et configuré pour réaliser une détente de préférence isenthalpique de la portion comprimée et pour fournir une portion détendue définie par une pression prédéterminée, par exemple inférieure à 20 bar, de préférence inférieure à 12 bar lorsque le fluide est de l’hydrogène. Par ailleurs, le moyen détendeur 160 est configuré pour réaliser une détente de préférence isenthalpique à une température comprise entre 3,15 K et 213,15 K, de préférence comprise entre 18,15 K et 73,15 K lorsque le fluide est de l’hydrogène . À cette fin, le moyen détendeur 160 comporte une vanne. Par exemple, la vanne peut être une vanne à disque ou à orifice poreux.
Avantageusement, le moyen détendeur 160 comprend une vanne de laminage 162. Cette vanne de laminage 162 permet de réguler avec précision la pression de la portion comprimée, puis d’ajuster la pression de la portion comprimée puis détendue. Cette vanne de laminage peut, par exemple, être une vanne Joule-Thompson.
Dans ce deuxième exemple de réalisation, la différence de pression entre la portion comprimée issue du moyen compresseur 120 et la portion détendue issue du moyen détendeur 160 est de préférence comprise entre 6 et 70 bar. En outre, la température de la portion comprimée issue du moyen compresseur 120 est supérieure à la portion détendue.
Dans ce deuxième exemple de réalisation, le moyen injecteur 1008 est alors configuré pour injecter dans le réservoir 100 la portion détendue qui a été au préalable comprimée.
Dans un troisième exemple de réalisation (exemple de réalisation illustré sur la ), l’installation de stockage comprend notamment le moyen compresseur 120, le moyen détendeur 160 et le moyen injecteur 1008 du deuxième exemple de réalisation et comprend en outre un réservoir tampon 140 en amont duquel est relié le moyen compresseur 120 par une première conduite de transfert C13.
Le réservoir tampon 140 est en aval relié, par une deuxième conduite de transfert C23, au moyen détendeur 160. Le réservoir tampon 140 est donc en particulier disposé entre le moyen compresseur 120 et le moyen détendeur 160.
Ce réservoir tampon 140 permet d’emmagasiner plusieurs volumes de portions comprimées avant de réaliser une détente globale dans le moyen détendeur 160 de ces plusieurs volumes de portions comprimées. À cette fin, le réservoir tampon 140 est configuré pour permettre le passage du volume qu’il contient vers le moyen détendeur 160 une fois que sa pression intérieure a atteint une valeur prédéterminée, par exemple comprise entre 6 et 70 bar.
Le moyen injecteur 1008 est relié au moyen détendeur 160 par une troisième conduite de transfert C33. Le moyen injecteur 1008 est apte à injecter dans le réservoir 100 la portion comprimée puis détendue sortant du moyen détendeur 160.
Il est à noter qu’une ou plusieurs des conduites comprises dans cette installation de stockage peuvent être munies d’au moins une vanne propre et/ou d’un moyen régulateur apte à contrôler le débit de fluide circulant à l’intérieur de celles-ci.
Par ailleurs, une ou plusieurs des conduites comprises dans cette installation de stockage comprennent avantageusement des enveloppes d’isolation thermique (enveloppes d’isolation thermique non représentées sur les figures).
Comme indiqué ci-dessus, il est à noter que l’installation de stockage est en cycle fermé.
Un procédé de contrôle de la pression intérieure du réservoir 100 compris dans l’installation de stockage décrit ci-dessus va maintenant être décrit ci-dessous en référence aux différents états dans lesquels se retrouvent la portion de la fraction liquide prélevée au cours du déroulé du procédé, en particulier après chaque transformation thermodynamique (compression, détente).
Le réservoir 100 contient le fluide, de préférence de l’hydrogène liquide, formant la fraction liquide 1002 et la fraction gazeuse 1004. Ainsi, dans une étape préalable, une étape d’approvisionnement du réservoir 100 est réalisée via le circuit d’approvisionnement. Cette étape d’approvisionnement est réalisée de préférence via un transfert d’hydrogène liquide, à l’aide de la première conduite d’approvisionnement du circuit d’approvisionnement, de la première source d’hydrogène liquide vers la première enveloppe du réservoir 100.
Il est à noter qu’une étape d’alimentation d’éléments demandeurs peut être réalisée via la conduite d’alimentation à tout instant durant le procédé, en particulier simultanément ou non à la mise en œuvre d’une ou plusieurs étapes du procédé selon l’invention. Cette étape d’alimentation peut être réalisée plusieurs fois durant le procédé selon l’invention.
Après l’étape d’approvisionnement, un équilibre thermodynamique se fait dans le réservoir 100 pour avoir une pression identique entre la fraction gazeuse 1004 et la fraction liquide 1002. Un échange thermique s’opère généralement dans le réservoir 100 et se traduit par un réchauffement de la fraction liquide 1002. L’équilibre thermodynamique va se modifier en conséquence. Une portion de la fraction liquide 1002 équivalente à la perte thermique se vaporise alors. Comme l’installation est en cycle fermé, la fraction gazeuse 1004 et la pression augmentent dans le réservoir 100. Or, si l’augmentation de la fraction gazeuse 1004 et de la pression est trop importante, il devient difficile, voire impossible d’approvisionner le réservoir 100.
Pour pallier ces augmentations de la fraction gazeuse 1004 et de la pression, selon l’invention, une portion de la fraction liquide 1002 du fluide est donc prélevée, lors d’une étape de prélèvement, dans le réservoir 100 par la conduite d’extraction Cext.
L’étape de prélèvement est de préférence mise en œuvre après la réalisation d’une étape de mesure d’un paramètre représentatif de la pression de la fraction gazeuse 1004 et/ou d’un paramètre représentatif de la pression de la fraction liquide 1002. En fonction de l’un et/ou l’autre de ces deux paramètres, on procède à la mise en œuvre de l’étape de prélèvement et des étapes qui suivent.
Après l’étape de prélèvement, on obtient ainsi une portion prélevée définie à un état A par :
- une première température T1,
- une première pression P1,
- une première enthalpie E1, et
- une première densité D1.
La portion prélevée qui se trouve à l’état A ne présente pas de phase gazeuse et n’est constituée que d’une phase liquide. En particulier, cette portion prélevée se retrouve alors sur la courbe de saturation liquide caractéristique du fluide.
Dans une variante de réalisation, le point A peut se retrouver éloigné ou sensiblement proche de la courbe de saturation liquide caractéristique du fluide, tout en étant dans la partie liquide.
A l’aide de ce prélèvement et des étapes qui vont suivre, on régule la pression de la fraction gazeuse 1004 au sommet du réservoir 100 de façon à ce que cette pression reste inférieure à une valeur prédéterminée, par exemple inférieure à 20 bar, de préférence inférieure à 12 bar lorsque le fluide est de l’hydrogène.
De préférence, l’étape de prélèvement est mise en œuvre de manière discontinue. Par exemple, l’étape de prélèvement peut être mise en œuvre à chaque fois que la pression intérieure du réservoir 100 devient égale ou supérieure à la valeur prédéterminée.
De préférence, durant cette étape de prélèvement, le débit et le volume de la portion liquide du fluide extrait sont déterminés par les caractéristiques du moyen compresseur 120, c’est-à-dire par un débit nominal.
Ensuite, dans une étape ultérieure, cette portion prélevée est comprimée dans le moyen compresseur 120. Cette compression est une compression sensiblement isothermique à la suite de laquelle on obtient une portion comprimée définie à un état B par :
- une deuxième température T2 sensiblement égale à la première température T1,
- une deuxième pression P2 supérieure à la première pression P1, et
- une deuxième densité D2 supérieure à la première densité D1.
Avantageusement, l’étape de compression est réalisée sur une gamme de pressions comprise entre 6 et 100 bar, de préférence entre 6 et 70 bar lorsque le fluide est de l’hydrogène. Il est à noter que l’élévation de pression associée à cette compression est inhérente aux caractéristiques du fluide comprimé.
Il est à noter que la compression est apte à conduire à une diminution d’enthalpie entre la première enthalpie E1 de l’état A et une deuxième enthalpie E2 de l’état B sur une gamme de pressions prédéfinie. La compression entre l’état A et l’état B est sensiblement isentropique. Cette diminution d’enthalpie est permise car le coefficient de Joule-Thomson (en K/ bar) est positif pour la gamme de pressions prédéfinie alors que la compression est sensiblement isothermique. Il est à noter que le caractère positif du coefficient de Joule-Thomson pour une phase à saturation liquide s’illustre par le fait que, pour cette gamme de pressions prédéfinie, la pente de la courbe montrant l’évolution de l’enthalpie (en kJ/kg) en fonction de la pression (en bar) est négative. Cette compression est irréversible.
Avantageusement, l’étape de compression conduit à une baisse continue de l’enthalpie de la portion prélevée depuis l’état A jusqu’à l’état B.
De préférence, l’étape de compression est réalisée depuis l’état A vers l’état B tant que le coefficient de Joule-Thomson caractéristique du fluide est positif. Cela permet de maximiser l’efficacité de l’installation.
Cependant, l’étape de compression est avantageusement arrêtée lorsque la baisse d’enthalpies de la portion comprimée est inférieure à 0,1 kJ/kg pour une hausse de pression de 1 bar. Il est à noter que si l’étape de compression perdurait alors que la baisse d’enthalpies était inférieure à 0.1 kJ/kg, il serait difficile d’exploiter le point d’inflexion de la courbe enthalpique à température constante sans utiliser une grande quantité d’énergies.
Lorsque le réservoir 100 est également le moyen détendeur 160 (voir ), la portion comprimée circule ensuite dans la conduite de transfert C11 qui relie le moyen compresseur 120 au moyen injecteur 1008.
Lorsque le moyen compresseur 120 est relié directement ou indirectement au moyen détenteur 160 se trouvant en amont du moyen injecteur 1008 (voir figures 2 et 3), la portion comprimée circule ensuite dans la conduite de transfert C12 qui relie le moyen compresseur 120 au moyen détendeur 160 ou dans la conduite de transfert C13 qui relie le moyen compresseur 120 au réservoir tampon 140.
Dans le cas où le moyen compresseur 120 est relié au réservoir tampon 140, une fois que la pression intérieure du réservoir tampon 140 atteint une pression prédéterminée et comprise entre 6 et 70 bar de préférence, la portion comprimée qui a été stockée dans le réservoir tampon 140 circule ensuite dans la deuxième conduite de transfert C23 qui mène au moyen détendeur 160.
Dans une étape suivante, la portion comprimée subit alors une détente pour obtenir une portion détendue définie à un état C par :
- une troisième température T3 inférieure à la deuxième température T2,
- une troisième pression P3 inférieure à la deuxième pression P2, et
- une troisième densité D3 inférieure à la deuxième densité D2 et supérieure à la première densité D1.
Selon la mise en œuvre de l’exemple de réalisation illustré sur la , la détente a lieu pendant ou après la réalisation d’une étape d’injection de la portion comprimée dans le réservoir 100, lorsque le réservoir 100 est également le moyen détendeur. De ce cas, l’état C est défini comme étant l’état d’équilibre dans le réservoir 100 après injection dans ce dernier de la portion comprimée. Ici, la détente peut donc être initiée durant l’injection et s’effectuer dans le réservoir 100.
Dans ce premier exemple de réalisation illustré sur la , la détente n’est pas isenthalpique. La portion injectée dans le réservoir 100 est également définie par une troisième enthalpie E3 qui est inférieure à la première enthalpie E1 de la portion prélevée. Cela implique une diminution de la température intérieure du réservoir 100 après équilibre thermodynamique.
Selon la mise en œuvre des exemples de réalisation illustrés sur les figures 2 et 3, la détente a lieu entre l’étape de compression et une étape ultérieure d’injection de la portion détendue dans le réservoir 100 lorsque l’installation comprend un moyen détendeur 160 distinct du réservoir 100. Dans ce cas, l’état C est défini comme étant l’état dans lequel se retrouve la portion détendue avant d’être injectée dans le réservoir 100. Ainsi, on obtient une portion sortant du moyen détendeur 160 qui présente des propriétés qui se rapprochent des conditions thermodynamiques du réservoir 100.
Selon la mise en œuvre des exemples de réalisation illustrés sur les figures 2 et 3, la détente est de préférence isenthalpique. Une telle détente isenthalpique présente l’avantage de ne pas générer de chaleur.
De préférence, à l’état C, la portion détendue se retrouve sensiblement sur la courbe de saturation liquide caractéristique du fluide. Par exemple, à l’état C, P3 peut être comprise entre P1 et P2, de préférence entre P1 et la pression de saturation liquide du fluide à laquelle s’ajoute 0.1 bar. Par ailleurs, en procédant ainsi, on facilite l’injection dans le réservoir 100 de la portion à injecter.
La portion injectée dans le réservoir 100 est également définie par une troisième enthalpie E3 qui est inférieure à la première enthalpie E1 de la portion prélevée. Cela implique une diminution de la température intérieure du réservoir 100 après équilibre thermodynamique. Ainsi, la portion injectée dans le réservoir 100 est, entre autres, définie par une troisième température T3 inférieure à la première température T1 de sorte à permettre de compenser un éventuel échauffement dans le réservoir 100. En procédant ainsi, on évite donc une augmentation de la pression à l’intérieur du réservoir 100 qui aurait été inévitable si le procédé selon l’invention n’avait pas été mis en œuvre.
L’installation de stockage selon le deuxième exemple de réalisation a été mis en œuvre avec de l’hydrogène comme fluide.
Le tableau de résultats d'expérimentations ci-dessous peut se lire en parallèle avec le diagramme illustré sur la et sur la en référence aux états A, B et C ci-avant mentionnés.
Comme illustré sur la , la courbe enthalpique à températures constantes d’hydrogène liquide environ égale à 30K présente une forme sensiblement parabolique. A l’état B, nous nous trouvons au point d’inflexion de la courbe enthalpique, le point d’inflexion correspondant à un minimum d’enthalpie sur une gamme de pressions comprise entre 8 bar et 30 bar.
Comme illustré par la , pour l’hydrogène la détente isenthalpique ne peut être mise en œuvre qu’au-dessus d’une pression de 5 bar à partir de laquelle le coefficient de Joules-Thomson devient positif.
En particulier, le tableau de résultats d'expérimentations ci-dessous permet de mieux visualiser les avantages tirés de la mise en œuvre du procédé conformes à l'invention.
Ce tableau indique des valeurs de températures (en K), pressions (en bar), densités (en kg/m3), volumes (en m3/kg), énergie internes spécifiques (kJ/kg) et enthalpies (kJ/kg) d'hydrogène contenu initialement dans le réservoir 100 et circulant ensuite dans l’installation ci-avant décrite selon le procédé selon l’invention ci-avant décrit de sorte à se retrouver aux états A, B, C précités et que l’on retrouve sur la .
Etat Température
(K)		 Pression
(bar)		 Densité
(kg/m3)		 Volume
(m3/kg)		 Enthalpie
(kJ/kg)
A 30.2 8.5 53.37 0.019 149.02
B 30.2 23 60.39 0.017 138.83
C 29.8 8.5 54.93 0.018 183.83
On peut déduire de ce tableau les enseignements suivants. Entre les états B et C, une détente sensiblement isenthalpique a effectivement été mise en œuvre. Par ailleurs, à l’état C, la température T3 est bien inférieure à la température T1 définie à l’état A. De cette façon, la densité D3 définie à l’état C est bien supérieure à la densité D1 définie à l’état A.
Bien entendu, l’invention n’est pas limitée aux exemples particuliers décrits et illustrés dans la présente demande. D’autres variantes ou modes de réalisation à la portée de l’homme du métier peuvent aussi être envisagés sans sortir du cadre de l’invention, telle que définie par les revendications.

Claims (9)

  1. Procédé de contrôle de la pression intérieure d’un réservoir (100) cryogénique contenant une fraction liquide (1002) et une fraction gazeuse (1004) d’un fluide dont l’enthalpie peut baisser lors d’une compression isothermique en phase liquide, le procédé comprenant les étapes suivantes :
    • prélèvement d’une portion de la fraction liquide pour obtenir une portion prélevée définie à un état A par :
      - une première température T1,
      - une première pression P1,
      - une première enthalpie E1, et
      - une première densité D1,
    • compression sensiblement isothermique de la portion prélevée pour obtenir une portion comprimée définie à un état B par :
      - une deuxième température T2 sensiblement égale à la première température T1,
      - une deuxième pression P2 supérieure à la première pression P1, et
      - une deuxième densité D2 supérieure à la première densité D1,
      ladite compression étant destinée à conduire à une diminution d’enthalpie entre la première enthalpie E1 de l’état A et une deuxième enthalpie E2 de l’état B,
    • détente de la portion comprimée pour obtenir une portion détendue définie à un état C par :
      - une troisième température T3 inférieure à la deuxième température T2,
      - une troisième pression P3 inférieure à la deuxième pression P2, et
      - une troisième densité D3 inférieure à la deuxième densité D2 et supérieure à la première densité D1,
    • injection de la portion comprimée ou de la portion détendue dans le réservoir (100),
      ladite détente étant réalisée après l’étape d’injection lorsque la portion comprimée est injectée dans le réservoir (100), ou
      ladite détente étant réalisée entre l’étape de compression et l’étape d’injection lorsque la portion détendue est injectée dans le réservoir (100).
  2. Procédé selon la revendication 1, selon lequel l’étape de compression conduit à une baisse continue de l’enthalpie de la portion prélevée depuis l’état A jusqu’à l’état B.
  3. Procédé selon la revendication 2, selon lequel l’étape de compression est arrêtée lorsque la baisse d’enthalpie de la portion comprimée est inférieure à 0,1 kJ/kg pour une hausse de pression de 1 bar.
  4. Procédé selon la revendication 1, selon lequel le fluide est de l’hydrogène.
  5. Procédé selon l’une des revendications 1 à 4, selon lequel la troisième pression P3 est supérieure ou sensiblement égale à la première pression P1.
  6. Procédé selon l’une des revendications 1 à 5, selon lequel la détente est une détente sensiblement isenthalpique lorsque celle-ci est réalisée entre l’étape de compression et l’étape d’injection.
  7. Installation de stockage d’une fraction liquide (1002) et d’une fraction gazeuse (1004) d’un fluide configurée pour mettre en œuvre le procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, l’installation comprenant :
    • un réservoir (100) cryogénique destiné à contenir le fluide,
    • un moyen de prélèvement (1006) d’une portion de la fraction liquide (1002),
    • un moyen compresseur (120) comportant un élément compresseur (210) et un élément de refroidissement (220) de l’élément compresseur (210) configuré pour maintenir à température l’élément compresseur (210) au cours de la mise en œuvre d’une compression en vue de réaliser une compression sensiblement isothermique de la portion prélevée pour obtenir une portion comprimée,
    • un moyen détendeur (160) apte à réaliser une détente de la portion comprimée pour obtenir une portion détendue, et
    • un moyen injecteur (1008) apte à injecter dans le réservoir (100) cryogénique la portion comprimée ou la portion détendue,
      installation dans laquelle le moyen détendeur (160) et le réservoir (100) sont, soit confondus, soit distincts.
  8. Installation selon la revendication 7, comprenant en outre un réservoir tampon (140) disposé entre le moyen compresseur (120) et le moyen détendeur (160).
  9. Installation selon l’une des revendications 7 ou 8, dans lequel le moyen détendeur (160) comprend une vanne de laminage (162).
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