Brevet FR2702039A1 — publié le 19940902

PROCEDE DE RECONDENSATION D'UN GAZ FROID L'invention a pour objet un procédé de recondensation d'un gaz froid provenant d'un système de stockage et/ou de conduite de gaz liquéfié, qui permet de retourner dans ledit système de stockage et/ou de conduite, le gaz liquéfié pro- duit par la recondensation. Par "système de stockage et/ou de conduite", on entend par exemple des réservoirs ou tanks de stockage de gaz li- quéfié ainsi que tous les systèmes d'alimentation en gaz li- quéfiés comprenant un récipient ou réservoir de stockage de gaz liquéfié et des conduites de transfert ou de transport de gaz liquéfiés. Il est habituel que dans le cas de réservoirs de gaz li- quéfié de grande capacité, par exemple des réservoirs d'hy- drogène liquide, le gaz vaporisé est recondensé et retourné au réservoir ou tank de stockage Ainsi, il est connu du NASA-Report 15 69 99, Avril 1978, ayant pour titre "Reduction of Liquid Hydrogen Boil-Off: Optimal reliquefaction System20 design and Cost Study", un procédé dans lequel le gaz vapo- risé provenant du réservoir d'hydrogène liquide d'une navette spatiale est pré-refroidi par de l'azote sous vide et est ensuite liquéfié dans un condenseur par échange indirect de frigories à partir d'un circuit d'apport de frigories Le25 condenseur fonctionne à la pression (basse) du réservoir Le générateur de frigories est en pratique un circuit fermé d'hydrogène. Du fait des besoins importants en azote liquide ou en azote sous vide ainsi que des pertes élevées se produisant au cours de l'échange thermique dans le condenseur, ce procédé connu ne s'avère en fait pas tellement satisfaisant sous l'angle économique. La présente invention a par conséquent pour objet un procédé de recondensation de gaz froid qui permette d'éviter les inconvénients précités. Dans ce qui suit, est plus particulièrement décrit l'es- prit de l'invention. Le gaz froid, à l'état refroidi, et en général dépres- surisé, est réchauffé de façon convenable à la température ambiante dans un échangeur thermique puis il est comprimé dans un compresseur disposé en aval Ensuite, le gaz compri- mé est retourné vers l'échangeur thermique et il est à nou- veau refroidi par échange à contre-courant avec le gaz froid. Dans un deuxième échangeur thermique se produit alors un refroidissement supplémentaire dans lequel l'apport de fri- gories est fourni par un circuit fermé d'apport de frigories. Le circuit d'apport de frigories peut par exemple consister en un circuit d'hélium ou en un circuit d'hydrogène. Après ce refroidissement, le gaz froid comprimé à la pression du procédé souhaitée, par exemple pour envoyer à la pression interne régnant dans le réservoir de gaz liquéfié, est détendu et, de ce fait, liquéfié Le gaz flash qui se forme est, de la même façon, après passage dans les deux échan- geurs de chaleur, ramené au compresseur dans lequel il est25 réuni au gaz froid à condenser. L'énergie frigorifique que requiert la recondensation, dans la mise en oeuvre du procédé, est amenée en partie par le circuit frigorifique fermé et en partie par l'énergie de compression.30 Au contraire du procédé connu, nécessitant un pré- refroi- dissement de l'azote liquide ou de l'azote sous vide, le pro- cédé selon l'invention fonctionne en autarcie du fait qu'il ne nécessite pas d'apport d'azote liquide Comme dans le pro- cédé connu la production de froid dans la partie froide de35 l'installation ne peut être obtenue que par détente à travers un étranglement, le procédé connu se révèle également insatis- faisant sur le plan énergétique. De même, l'utilisation d'un seul cycle d'apport de fri- gories constitue, par rapport au procédé selon l'invention, un inconvénient Dans un tel procédé le gaz dépressurisé n'est condensé que par échange thermique avec un circuit 5 d'apport de frigories Par l'emploi d'un condenseur, qui est directement accouplé au circuit d'apport de frigories dis- tinct, il est possible, en fait, de supprimer le compresseur de gaz froid et un échangeur thermique A cette fin, il faut cependant que le circuit d'apport de frigories soit nettement10 surdimensionné par rapport à celui dont fait emploi le pro- cédé selon la présente invention De plus, ce procédé est peu intéressant du point de vue énergétique, ce qui fait que les pertes dues au transfert dans le condenseur sont supérieures. Il est particulièrement avantageux dans le procédé selon l'invention que l'état du gaz liquéfié condensé puisse être adapté dans une large mesure aux besoins des l'utilisateur, par exemple à la pression requise dans le réservoir de sto- ckage de gaz liquéfié Il est toujours possible de mettre le gaz liquéfié à disposition des utilisateurs à la pression à20 laquelle le système fonctionne, c'est-à-dire que la pression peut être réglée à volonté De plus, du fait que le transfert de froid est réalisé à l'aide d'un gaz sous pression et du fait de l'adaptation correspondante du cycle externe d'apport de frigories, il est possible de rendre minimales les pertes25 au cours de l'échange thermique Il résulte par conséquent de ce qui précède que le procédé selon l'invention permet une réduction des besoins en énergie de l'ordre de 20 % environ. En outre, le procédé selon la présente invention permet l'em- ploi d'éléments d'installation plus simples que ceux qui sont30 requis dans le cadre des procédés connus Ainsi, on peut rem- placer les condenseurs coûteux par des échangeurs à plaques plus simples. Il est possible de mettre en oeuvre le procédé selon la présente invention dans tous les systèmes de gaz liquéfié, notamment les systèmes à hydrogène liquéfié dans lesquels se produisent des pertes importantes lors du remplissage ou lors du transfert ou transport et du fait des nécessités d'isola- tion, par exemple dans les installations de stockage, les infrastructures d'aéroports, les terminaux d'alimentation et de stockage ainsi que dans les réservoirs d'hydrogène liquide de grande capacité, par exemple pour les vaisseaux spatiaux. D'autres buts et avantages de la présente invention ap- paraîtront à la lecture des modes de réalisation schématiques représentés sur les figures Ainsi: Figure 1 montre un schéma fonctionnel d'un procédé de re- condensation de gaz hydrogène froid; et Figure 2 montre un schéma fonctionnel d'un procédé de re- condensation de gaz hydrogène froid, lequel comporte une pompe à vide ou à dépression disposée en amont. Sur le schéma fonctionnel représenté à la figure 1, est désigné par la référence 1 un système de stockage et de conduite comportant un tank ou réservoir d'hydrogène liquide Il peut15 s'agir par exemple d'un tank ou réservoir d'hydrogène liquide de très grande capacité destiné au stockage d'hydrogène qui a été produit par électrolyse grâce au courant électrique pro- duit dans des centrales hydrauliques Un tel tank ou réser- voir d'hydrogène liquide peut par exemple être destiné au20 stockage d'énergie L'hydrogène gazeux qui est vaporisé dans le tank ou réservoir d'hydrogène liquide est soutiré du réser- voir 1 par les conduits 2 sous une pression de l'ordre de la pression atmosphérique et est réchauffé à la température am- biante dans l'échangeur 3 Dans un compresseur 4 disposé en25 aval, on comprime l'hydrogène gazeux L'hydrogène gazeux compri- mé est ensuite refoulé à travers l'échangeur thermique 3 dans lequel il est à nouveau refroidi à contre-courant de l'hydro- gène gazeux froid Dans un deuxième échangeur thermique 5, se produit alors un nouveau refroidissement dans lequel est uti-30 lisé pour l'apport d'énergie frigorifique un circuit fermé 7 d'apport de frigories provenant d'une installation frigori- fique 6 Ce circuit d'apport de frigories 7 est, dans le pré- sent exemple de réalisation, un cycle hydrogène Après refroi- dissement dans l'échangeur 5, l'hydrogène comprimé est amené35 à la pression du procédé régnant dans le récipient ou tank 1 d'hydrogène liquéfié, par détente dans une vanne ou étrangle- ment 8, ce qui simultanément provoque sa liquéfaction Le gaz-flash qui est alors produit est soutiré par la conduite 9 et il est conduit à travers les deux échangeurs thermiques 5 et 3 au compresseur 4 d'o il est réuni au gaz hydrogène à condenser. Le mode de réalisation représenté sur la figure 2 est en principe semblable à celui de la figure 1 Les mêmes éléments ou organes de l'installation sont désignés par les mêmes chiffres de référence Dans le procédé conforme à la figure 2, il est en outre prévu une pompe à vide 10 grâce à laquelle la pression dans le réservoir 1 peut en outre être réduite de10 façon supplémentaire indépendamment de la pression de l'agent d'apport frigorifique du circuit frigorifique externe 7 La réduction d'enthalpie que l'on obtient alors pour l'hydrogène liquide réduit ou même empêche les pertes en hydrogène par vaporisation lors du transport ou transfert du liquide dans15 les systèmes de conduite et lors du remplissage du réservoir ou tank pour l'utilisateur Lorsque le procédé selon l'inven- tion est accouplé à une installation de stockage fermée, il est possible, par disposition d'une pompe à vide 10 en amont du compresseur 4, de produire dans le système de tank de sto-20 ckage de l'hydrogène sous vide froid (le cas échéant, de l'hy- drogène liquide figé) Dans le cas de tank ou de réservoir de stockage et/ou de système de répartition (par exemple dépôt de bus, aéroport) de grande capacité, il est possible d'uti- liser pendant la journée l'installation en tant qu'instal-25 lation de recondensation pour éviter les pertes se produisant lors du refroidissement ou du transfert alors que pendant la nuit, au contraire, lorsqu'il ne se produit pas d'opération de transfert, l'installation est utilisée comme installation pour le refroidissement de l'hydrogène dans le réservoir Du30 fait que le sous- refroidissement de l'hydrogène est réalisé à l'aide d'énergie électrique à prix réduit consommée pendant la nuit, les pertes se produisant au cours de la journée par vaporisation ou par transfert sont minimisées. Au contraire de la figure 1, le système d'hydrogène li- quide 1 est représenté de façon détaillée sur la figure 2 Le système d'hydrogène liquide 1 comporte un réservoir ou tank d'hydrogène liquide 11, en aval duquel est connecté un éva- porateur 12 De plus, le réservoir d'hydrogène liquide 11 comporte une conduite 13 de dérivation de gaz froid De même, les divers éléments constitutifs de l'installation de pro- duction de froid sont représentés en détail Il s'agit d'un compresseur de circuit 14, d'un échangeur thermique 16 et d'un compresseur 15 branché en aval. Selon un développement supplémentaire de l'esprit de l'invention, le compresseur de circuit 14 est également em- ployé pour la compression de l'hydrogène à condenser Par exemple, les compresseurs 4 et 14 peuvent être remplacés par un compresseur à plusieurs pistons par étage De cette façon, il est possible d'économiser un compresseur séparé. En bref, l'invention consiste en un procédé de recondensation d'un gaz froid provenant d'un système de stockage et/ou de conduite de gaz liquéfié, qui permet de retourner dans ledit système de stockage et/ou de conduite, le gaz liquéfié produit par la recondensation, caractérisé en ce que: le gaz froid ainsi retiré est réchauffé dans un échan- geur thermique 3, comprimé 4 et à nouveau refroidi dans l'échangeur thermique 3; en ce que dans un deuxième échange de chaleur 5 se produit ensuite un refroidissement supplémentaire par échange thermique avec un agent d'apport frigorifique d'un cycle d'ap- port frigorifique fermé 7; en ce que, ensuite, le gaz froid est détendu à la pres- sion régnant dans le système de stockage et/ou de conduite et est de ce fait, partiellement condensé; en ce que le liquide condensé lors de la détente est retourné vers le système de stockage et/ou de conduite 1; en ce que la partie restée à l'état gazeux est utilisée pour le refroidissement du gaz froid comprimé dans les échan- geurs thermiques 5 et/ou 3 et est à nouveau comprimé. Selon un mode de réalisation, le gaz froid est tout d'abord sous- refroidi par l'intermédiaire d'une pompe à vide 10 et ensuite est comprimé. Selon un autre mode de réalisation l'agent d'apport frigorifique circule par l'intermédiaire d'un compresseur 14, dans un circuit fermé et en ce que le gaz froid réchauffé retiré du système de stockage et/ou de conduite, est comprimé par le même compresseur de circuit. REVENDICATIONS 1. Procédé de recondensation d'un gaz froid provenant d'un système de stockage et/ou de conduite de gaz liquéfié, qui permet de retourner dans ledit système de stockage et/ou 5 de conduite, le gaz liquéfié produit par la recondensation, caractérisé en ce que: le gaz froid ainsi retiré est réchauffé dans un échan- geur thermique ( 3), comprimé ( 4) et à nouveau refroidi dans l'échangeur thermique ( 3);10 en ce que dans un deuxième échange de chaleur ( 5) se produit ensuite un refroidissement supplémentaire par échange thermique avec un agent d'apport frigorifique d'un cycle d'ap- port frigorifique fermé ( 7); en ce que, ensuite, le gaz froid est détendu à la pres- sion régnant dans le système de stockage et/ou de conduite et est de ce fait, partiellement condensé; en ce que le liquide condensé lors de la détente est retourné vers le système de stockage et/ou de conduite ( 1); en ce que la partie restée à l'état gazeux est utilisée pour le refroidissement du gaz froid comprimé dans les échan- geurs thermiques ( 5) et/ou ( 3) et est à nouveau comprimé. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le gaz froid est tout d'abord sous-refroidi par l'inter- médiaire d'une pompe à vide ( 10) et ensuite est comprimé.25 3 Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'agent d'apport frigorifique circule par l'inter- médiaire d'un compresseur ( 14), dans un circuit fermé et en ce que le gaz froid réchauffé retiré du système de stockage et/ou de conduite, est comprimé par le même compresseur de30 circuit.