Brevet FR2753946A1 — publié le 19980403

PROCEDE ET DISPOSITIF POUR REMPLIR DES RESERVOIRS DE VEHICULE La présente invention concerne unl procédé pour remplir des réservoirs de véhicules avec un liquide sous-refroidi ainsi qu'un dispositif à cet effet. Au cours du remplissage de réservoirs avec un liquide à l'état d'ébullition, de grandes quantités de gaz s'échappent dans l'environnement ou doivent être reliqué- fiées à grands frais. On sait du document de F.J. Wetzel "Handling of Liquid Hydro- gen at Filling Stations" Proceedings of the 1 lth World Hydrogen Energy Confer- ence, 1996, Stuttgart, Allemagne, qu'au cours du remplissage des réservoirs de véhicules avec de l'hydrogène liquide sous-refroidi (LH2) devant servir de carburant, il apparaît que peu ou pas de gaz s'échappent. A cet effet, le LH2 est maintenu dans un réservoir de stockage à l'état d'ébullition, à une pression inférieure à la pression dans le réservoir à remplir. Seulement pour le remplissage, la pression dans le réservoir de stockage est augmentée et cette pression majorée est maintenue pendant le remplissage. Il ne s'évapore ainsi pas de LH2, car la température du LH2 est inférieure à la température d'ébullition à cette pression majorée. L'inconvénient de ce procédé réside dans le fait que l'apport de chaleur dans le réservoir de stockage, et qui est dû au maintien de la pression qui est réalisé à l'aide d'une vaporisation génératrice de pression, conduit avec le temps à ce que la tem- pérature du LH2 dans le réservoir de stockage s'approche de la température d'ébullition pour cette pression augmentée. Ce n'est qu'après une décharge de pres- sion du réservoir de stockage, au cours de laquelle la température du LH2 diminue également à nouveau, le sous-refroidissement peut être atteint par augmentation sub- séquente de la pression dans le réservoir de stockage. Avec cette décharge de pres- sion pour faire diminuer la température du LH2, il apparaît, non pas immédiatement au cours du processus de remplissage du réservoir lui-même, mais à des intervalles déterminés, cependant de très grandes quantités de gaz s'échappent ou la nécessité de dépenses de reliquéfaction de ce gaz si l'on ne veut pas le libérer dans l'atmosphère. Dans un autre procédé selon l'état de la technique, le LH2 se trouvant dans le réservoir de stockage sous pression réduite, est refoulé par une pompe à une pression majorée nécessaire pour le remplissage du réservoir en sous-refroidissement. Dans ce procédé, l'apport de chaleur apparaît par la mise en froid et le maintien en froid de la pompe et par la puissance de la pompe nécessaire pour augmenter la pression. Les 1.179> II))(-..lll le1,- I 0 2 2753946 quantités de gaz d'échappement ou les frais de reliquéfaction sont de manière corre- spondante relativement élevés. Les inconvénients, qui apparaissent dans le procédé selon l'état de la technique de remplissage en LH2 utilisé comme carburant, se manifestent également au cours de l'application de ce procédé au remplissage des réservoirs de véhicules en gaz na- turel, en méthane, en hydrocarbures ou en d'autres carburants sousrefroidis. Dans un tel cas, il faut en outre prendre en compte le fait que pour des raisons de protection de l'environnement, la libération des gaz d'échappement de ces carburants n'est pas souhaitée et doit être évitée. L'objet de la présente invention est en conséquence précisément d'éviter l'échappement de gaz carburants et ceci en limitant les moyens techniques mis en oeuvre. L'invention a pour objet un procédé de remplissage du ou des réservoirs(s) de liquide de véhicule(s) avec un liquide sous-refroidi, dans lequel on réalise le sous- refroidissement par échange thermique avec un gaz liquéfié refroidi à très basse tem- pérature et l'on commence le remplissage du réservoir de véhicule à partir d'un réservoir de stockage mis sous pression par un liquide cryogénique à l'état d'ébullition, et on effectue le remplissage en continuant à maintenir la pression à son niveau. Selon un mode de réalisation du procédé de l'invention, on introduit de l'azote comme gaz liquéfié à très basse température pour le sous-refroidissement. Selon un autre mode de réalisation du procédé de l'invention, on effectue l'échange thermique dans un échangeur de chaleur à faisceau tubulaire. Selon encore un autre mode de réalisation du procédé de l'invention, on ef- fectue l'échange thermique dans un échangeur de chaleur à tube unique. Selon un autre mode de réalisation encore du procédé de l'invention, on ef- fectue l'échange thermique dans un échangeur à tube unique, le tube unique étant constitué par la conduite de transfert elle-même. Selon encore un mode de réalisation du procédé de l'invention, le liquide sous- refroidi pour le remplissage contient principalement du gaz naturel, du méthane ou un mélange quelconque des deux. La présente invention a également pour objet un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé de remplissage du ou des réservoir(s) de véhicule(s) tel que défini ci-dessus, qui comporte un réservoir de stockage, une conduite de transfert, un 17 I)() - 2 M oUitc 19 - 72/6 3 2753946 échangeur de chaleur et une conduite flexible, qui, au cours du remplissage du réser- voir, est relié au réservoir de liquide du véhicule. La présente invention a également pour objet une application du procédé ou du dispositif précités, à des stations d'alimentation pour réaliser le ravitaillement de véhicules en carburant. L'avantage du procédé selon l'invention réside dans le fait que le liquide prévu pour le remplissage des réservoirs de carburant de véhicule peut être maintenu en permanence à l'état d'ébullition. La pression dans le réservoir est maintenue, pour éviter des rentrées d'air dans le réservoir, légèrement au-dessus de la pression atmo- sphérique, mais on peut également la laisser monter jusqu'à la pression maximale de service au cours du remplissage du réservoir. Grâce à la montée de pression dans le réservoir de stockage avant le remplissage des réservoirs de véhicules, et au maintien de la pression nécessaire, on peut éviter d'avoir à utiliser une pompe. Le sous-refroidissement par échange de chaleur avec un gaz liquéfié à très basse température permet d'évacuer la totalité des pertes calorifiques apparaissant au cours du remplissage du réservoir de véhicule à un niveau de température si bas que l'évaporation du liquide destiné au remplissage du réservoir de véhicule ne peut pas se produire. Afin de réaliser le sous-refroidissement du liquide destiné au remplis- sage du réservoir de véhicule par échange de chaleur, on peut avantageusement utiliser commne gaz liquéfié à très basse température de l'azote qui est alors vaporisé. L'azote ne présente comme gaz d'échappement aucun danger pour l'environnmlement et il peut également être réutilisé après reliquéfaction en circuit fermé. L'échange de chaleur peut avantageusement être réalisé dans un échangeur de chaleur à faisceau de tubulaire, mais il peut également être réalisé dans un échangeur de chaleur à tube unique. Les échangeurs de chaleur de ce type peuvent également être réalisés de manière étanche afin de résister aux contraintes et de vari- ation de température de pression. Un tel échangeur de chaleur est disposé dans la conduite de transfert entre le réservoir de stockage et le réservoir du véhicule. L'échange de chaleur peut être réalisé de façon particulièrement simple dans un échangeur de chaleur à tube unique, dans lequel le tube unique est constitué par la conduite de transfert elle-même, cette dernière étant refroidie par le gaz liquéfié à très basse température. Le liquide sous-refroidi préféré pour le remplissage du réservoir est constitué principalement par du gaz naturel, du méthane ou par un mélange quelconque des deux. Au cours de la combustion, il apparaît alors du fait de la teneur élevée en atomes d'hydrogène, principalement de la vapeur d'eau. L'azote liquide convient alors particulièrement bien pour réaliser le sous-refroidissement. 4 2753946 Le dispositif pour le remplissage du ou des réservoir(s) de véhicule comporte un réservoir de stockage, une conduite de transfert, un échangeur de chaleur et une conduite flexible qui, au cours du remplissage du réservoir est reliée au réservoir de liquide du véhicule. Un avantage de ce dispositif réside dans le fait qu'il n'est pas nécessaire de prévoir une pompe pour réaliser le remplissage du réservoir. Une application avantageuse du procédé ou du dispositif est réalisée dans les stations de remplissage de carburant destinées à réaliser le ravitaillement de véhicules de tous types en carburant. On va maintenant expliquer plus en détails deux modes de réalisation de l'invention à l'aide des deux figures, dans lesquelles: - la figure 1 représente un mode de réalisation avec un échangeur de chaleur prévu dans la conduite de transfert. - la figure 2 représente un mode de réalisation avec une conduite de transfert qui constitue une partie de l'échangeur de chaleur. Le gaz naturel liquéfié ou le méthane liquéfié 1 provenant du réservoir de stockage 2 parvient dans la conduite de transfert 3 et est sous- refroidi dans l'échangeur de chaleur 4 à l'aide d'azote liquide 5 qui y est évaporé. L'azote gazeux qui se forme parvient par la conduite 6 à une installation de reliquéfaction qui n'est pas représentée sur la figure ou bien il est libéré dans l'atmosphère. Le liquide sous- refroidi, de préférence ici du gaz naturel ou du méthane, est ensuite conduit par une conduite flexible isolée 7 dans le réservoir 8 du véhicule. La pression de refoulement nécessaire à cet effet est ici réglée dans le réservoir de stockage à l'aide d'un évapo- rateur de génération de pression qui n'est pas représenté. Sur la figure 2, la conduite de transfert est munie d'une conduite de refroidissement qui permet ainsi le sous-re- froidissement. Les réservoirs et les conduites représentés ici comportent une isolation à vide afin d'assurer une bonne isolation extérieure à l'encontre des très basses températures. Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits représentés et elle est susceptible de nombreuses variantes accessibles à l'homme de l'art sans que l'on ne s'écarte de l'esprit de l'invention. 14701 DOC - 8 sptmunbrc 199)7 - 4/6 2753946 REVENDICATIONS 1.- Procédé de remplissage du ou des réservoirs(s) de liquide de véhicule(s) avec un liquide sous-refroidi, caractérisé en ce qu'on réalise le sous-refroidissement par échange thermique avec un gaz liquéfié refroidi à très basse température et l'on commence le remplissage du réservoir de véhicule à partir d'un réservoir de stockage mis sous pression par un liquide cryogénique à l'état d'ébullition, et on effectue le remplissage en continuant à maintenir la pression à son niveau. 2.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on introduit de l'azote comme gaz liquéfié à très basse température pour le sousrefroidissement. 3.- Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'on effectue l'échange thermique dans un échangeur de chaleur à faisceau tubulaire. 4.- Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'on effectue l'échange thermique dans un échangeur de chaleur à tube unique. 5.- Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'on effectue l'échange thermique dans un échangeur à tube unique, le tube unique étant constitué par la conduite de transfert elle-même. 6.- Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le liquide sous-refroidi pour le remplissage contient principalement du gaz na- turel, du méthane ou un mélange quelconque des deux. 7.- Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé de remplissage du ou des réservoir(s) de véhicule(s) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, carac- térisé en ce qu'il comporte un réservoir de stockage (2), une conduite de transfert (3), un échangeur de chaleur (4) et une conduite flexible (7), qui, au cours du remplis- sage du réservoir, est relié au réservoir de liquide (8) du véhicule. 8.- Application du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 ou du dispositif selon la revendication 7, à des stations d'alimentation pour réaliser le ravitaillement de véhicules en carburant. 4791 D(OC - S -óltelihre 1'997 - 5/6