Brevet FR2879719A1 — publié le 20060623

L'invention concerne un procédé de contrôle du remplissage de bouteilles de gaz. Dans la présente invention on utilisera indiffé- remment les termes bouteilles ou réservoirs , qui désignent des conteneurs hermétiques permettant de stocker du gaz sous pression. La protection de l'environnement s'avérant être une préoccupation de plus en plus présente à la fois pour les industriels et pour les particuliers, la demande en carburants propres pour les véhicules automobiles est de plus en plus grande. Une des possibilités de remplacement des carburants classiques est l'utilisation de gaz. Cependant, si remplir un réservoir d'essence ou de fuel qui sont des combustibles liquides, est une opération facile et rapide, l'opération de remplissage de réservoirs de gaz est beaucoup plus délicate. Du fait de la compressibilité des gaz, le remplissage peut conduire à des échauffements importants et pose également le problème du comptage de la quantité de matière transférée. En effet, le gaz doit être injecté à partir d'une zone de stockage de gaz dans des réservoirs ou bouteilles de gaz sous pression (200bar ou plus selon le gaz et l'application); la zone de stockage étant elle-même à haute pression ou bien à faible pression et dans de cas il est nécessaire d'utiliser un compresseur. Il est évident que pour des raisons de sécurité, la pression finale dans le réservoir tout comme la tempé- rature du gaz à l'intérieur du réservoir et la masse de gaz stockée ne doivent pas dépasser les limites de résistance du réservoir telles que déterminées par les constructeurs de ces réservoirs. En outre, plus le remplissage est rapide, plus la montée en température est importante et donc plus il est difficile d'optimiser la quantité de gaz à l'intérieur du réservoir. Les réservoirs sont de ce fait très souvent rem-plis en dessous de leur capacité, le remplissage doit être plus fréquent et la consommation est difficile à apprécier, ce qui est source de désagrément pour l'utilisateur. Par ailleurs, il faut noter que la température du gaz à l'intérieur de la bouteille est très difficile à obtenir car elle nécessiterait l'installation d'une sonde thermique directement placée dans la bouteille avec tous les problèmes d'étanchéité que cela suppose, et une connexion entre le véhicule et la station de stockage pour l'échange d'information. Bien entendu, les mêmes difficultés se présentent 20 pour l'approvisionnement en gaz de tous les types de réservoirs ou bouteilles. De façon classique, le remplissage s'effectue à la température ambiante en utilisant alors le principe consistant à contrôler des paramètres mesurés et/ou à es- timer la valeur maximale de ces paramètres qui sont la pression et/ou la température, en utilisant la mesure de la température embarquée, c'est-à-dire la mesure de la température du gaz à l'intérieur des bouteilles, comme dans les demandes de brevet EP1205704 et EP1336795, ou 3' bien en utilisant la mesure de la masse injectée qui est réalisée par pesage (US 4,527,600, US 4,648,430, US 5,771,947, US 5, 771,948, US 5,810,058, US 5,881,779) ou par mesure de débit (US 4,993,462, US 5,238,030, US 5,752,552). Par ailleurs, un autre procédé pour pallier au problème du remplissage insuffisant, consiste à refroidir le gaz en entrée de bouteille à une température fixée à une valeur en dessous de la température ambiante comme ce- ci est décrit dans la demande de brevet EP1331289. Cependant, la température choisie n'est pas optimisée et ne représente pas une solution d'ensemble pour assurer le remplissage optimum et sécuritaire des bouteilles. Tous les procédés décrits sont ou difficiles à mettre en oeuvre car les paramètres à mesurer sont difficiles d'accès, notamment la température interne du gaz ou ne sont pas adaptés à certaines applications comme le pesage pour l'application véhicule, ou utilisent des moyens de mesure qui manquent de précision dans certains cas, no- tamment les appareils de mesure de débit massique dans le cas de l'hydrogène, et alors le contrôle de la température maximale dans la bouteille n'est pas effectuée, ou encore ne permettent pas une optimisation du remplissage. Il existe donc un besoin réel en un procédé de contrôle du remplissage de bouteilles ou réservoirs de gaz qui soit à la fois fiable quelles que soient les données à la disposition de l'opérateur et notamment lorsqu'il n'a pas accès à la température dans les réservoirs, facile à mettre en oeuvre, facile à utiliser et adapté pour tout type de bouteille et tout type de remplissage, notamment pour des remplissages rapides. Les présents inventeurs, à la suite de recherches longues et approfondies, ont trouvé que ces différentes exigences pouvaient être satisfaites en paramétrant le remplissage par dérivation de la pression de gaz à l'entrée de la bouteille par rapport au temps, c'est-à-dire à l'aide de la vitesse de remplissage exprimée en unités de pression par unités de temps (en bar/secondes par exemple). La mesure de la pression de gaz à l'entrée de la bouteille est une donnée facilement accessible. De façon pratique, la pression de gaz est mesurée au niveau du connecteur ou de la ligne de remplissage, en aval de l'élément sonique. Or la pression mesurée à ce ni-veau est égale à la pression dans les bouteilles au cours du remplissage. Un automate calcule alors la dérivée de cette pression par rapport au temps et ce paramètre est représentatif de la vitesse de remplissage du réservoir. Dans la présente invention, les différents termes suivants sont utilisés. La pression nominale ou pression de travail est la pression maximale que la charge gazeuse peut atteindre à une température uniforme de 15 C (288K), la bouteille étant pleine. La température nominale est la température à laquelle est définie la pression nominale de la bouteille (typiquement 15 C). La température de calcul des bouteilles est la température maximale pouvant être atteinte dans une bouteille en service, cette valeur est donnée par le fabricant. La capacité nominale de remplissage est la masse de gaz qui peut être stockée dans une bouteille don-née. Cette valeur est également spécifiée par le fabricant et est en général donnée sous la forme d'une pression nominale à une température nominale. La pression maximale autorisée de la bouteille est la pression maximale pouvant être atteinte dans une bouteille en service. Selon un mode de réalisation particulier mettant en oeuvre la dérivation de la pression dans les bouteilles par rapport au temps comme l'un des paramètres de calcul, la pression finale de remplissage de la bouteille est cal-culée pour correspondre à la plus sévère des deux conditions suivantes: capacité nominale de remplissage ou température de calcul des bouteilles. Ce procédé est dit sécuritaire car il permet de respecter les deux valeurs limites de sécurité que sont la capacité nominale et la température maximale autorisée par la bouteille. La pression finale de remplissage est calculée en fonction de la température ambiante et de la pression initiale qui sont mesurées au préalable ainsi que d'une vitesse de remplissage choisie par l'opérateur. Le choix de la valeur de la dérivée de la pression d'entrée du gaz en fonction du temps ou vitesse en unité de pression par unité de temps peut être fait par l'opérateur en fonction des conditions de température extérieure, de la pression initiale mesurée dans les bouteilles, de la capacité de la bouteille et de la durée de remplissage envisagée ou automatiquement à l'aide de ces mêmes paramètres. Cette vitesse est comprise entre 0,05 bans et 20 bar/s, de préférence entre 0,10 et 15 bar/s et plus préférentiellement encore entre 0,5 bar/s et 12 bar/s. De façon pratique, la pression initiale des bouteilles est d'abord mesurée en équilibrant le connecteur et la ligne de remplissage avec les bouteilles en injectant une petite quantité de gaz. La température ambiante est également mesurée par exemple au niveau de la borne de remplissage et de préférence à proximité des bouteilles. La valeur de la dérivée de la pression par rapport au temps ou vitesse de remplissage en unité de pression par unité de temps est choisie par l'opérateur. Le système calcule ensuite la pression maximale correspondant à la masse nominale ou à la température de calcul, à l'aide des paramètres mesurés que sont la température ambiante et la pression initiale dans la bouteille et à l'aide de la valeur de la vitesse en unité de pression par unité de temps choisie. Le remplissage est alors interrompu lorsque la pression dans les bouteilles atteint la valeur ainsi calculée. Le remplissage a donc été contrôlé uniquement à l'aide de la pression d'entrée mesurée. Selon un autre mode de réalisation particulier mettant en oeuvre la dérivation de la pression dans les bouteilles par rapport au temps comme l'un des paramètres de calcul, la température d'entrée dans la bouteille est optimisée en fonction des paramètres suivants:la pression initiale, la température ambiante et la pression finale de remplissage. La pression finale peut être fixée arbitrairement ou en fonction des conditions process par exemple. Mais elle doit être de fait inférieure à la pression maximale autorisée par la bouteille. Par exemple, dans le cas où le remplissage de la bouteille sous pression se fait par équilibrage de capacités de stockage sous pression, la pression finale sera limitée par la pression de stockage des capacités voire à une valeur inférieure du fait de l'équilibrage en pression. La température de gaz à l'entrée ainsi déterminée permet alors de remplir les deux conditions suivantes: la capacité nominale est atteinte et les limites de fonction- nement de la bouteille sont respectées. Ce procédé est à la fois sécuritaire et optimal , car il permet d'optimiser la masse de gaz finalement stockée dans la bouteille tout en respectant les limites de fonctionnement de la bouteille. De façon pratique, la pression initiale des bouteilles est d'abord mesurée en équilibrant le connecteur et la ligne de remplissage avec les bouteilles en injectant une petite quantité de gaz. La température ambiante est également mesurée par exemple au niveau de la borne de remplissage et de préférence à proximité des bouteilles. Une vitesse de remplissage en unité de pression par unité de temps est choisie par l'opérateur. Une pression finale de remplissage est également fixée par l'opérateur. Le système calcule ensuite une température de gaz en entrée de bouteille à l'aide des paramètres mesurés suivants: température ambiante, pression initiale dans la bouteille (mesurée au niveau du connecteur), et à l'aide de la pression finale fixée par l'opérateur ou par les conditions du process, et de la valeur de la dérivée de la pression par rapport au temps choisie par l'opérateur ou automatiquement. Si la température ainsi calculée est supérieure à la température ambiante, l'opérateur met en uvre le pro- cédé selon le mode de réalisation précédemment décrit (le remplissage sera interrompu à une pression calculée inférieure à la pression fixée par l'opérateur). Si la température ainsi calculée est inférieure à la température ambiante, le gaz en entrée de bouteille doit être refroidi à cette température. La température d'entrée ainsi calculée permet le remplissage jusqu'à la charge nominale tout en restant dans les limites de fonctionnement de la bouteille, le remplissage est terminé lorsque la pression dans les bouteilles atteint la pres- lion définie. Le procédé de l'invention est particulièrement utile pour les remplissages rapides, notamment les rem-plissages rapides de véhicules automobiles. Dans la présente invention, un remplissage rapide est un remplissage qui doit être réalisé en une durée allant de moins d'1 minute jusqu'à 10 minutes. Cette durée dépend des bouteilles à remplir et/ou du type de véhicule (scooter, voiture ou bus par exemple). La présente invention est utilisable quelle que soit la nature du gaz. Il peut s'agir par exemple de méthane, hydrogène, oxygène, azote, hélium, etc. L'application véhicule vise en particulier le gaz naturel ou méthane et l'hydrogène. Les bouteilles ou réservoirs ont une capacité variable selon leur destination. Par exemple, dans les véhicules automobiles, la capacité globale est de l'ordre de 100 à 150L. Le véhicule peut être doté d'un seul réservoir de cette capacité ou bien de plusieurs réservoirs plus petits disposés en parallèle. De façon avantageuse, la forme de la bouteille doit être telle qu'en fin de remplissage, elle permette l'obtention d'une température de gaz homogène. Une telle caractéristique dépend de la géométrie de la bouteille qui avantageusement est de forme généralement cylindrique avec un rapport longueur L sur diamètre D, L/D, inférieur à 6, de préférence de 1 à 5, et plus préférentiellement encore de 1 à 4. En outre, de façon avantageuse, les réservoirs à remplir se trouvent disposés de façon horizontale ou bien de façon verticale et alors, le remplissage se fait du haut vers le bas. L'invention va être décrite plus en détail dans les exemples suivants qui sont donnés uniquement à titre d'illustration de l'invention et qui ne sont pas limita-tifs. EXEMPLES EXEMPLES 1 à 3: Remplissage sécuritaire par estimation de la pression finale Dans les exemples 1 à 3 qui suivent, la bouteille utilisée 10 est une bouteille DYNETEK 150L. Le gaz de remplissage est de l'hydrogène. Les notations suivantes sont utilisées: Pf = pression finale en bar, Pf = Min{ Pf85 c Pfl00%masse} où Pfl00%masse est la pression limite au-delà 15 de laquelle on dépasse la masse nominale stockée dans la bouteille et Pf85 c est la pression limite au-delà de laquelle on dépasse la limite de température de la bouteille. Tamb = Température ambiante en K 20 PO = Pression initiale en bar (P0, 15 C) = pression initiale ramenée à 15 C en bar V = vitesse en bar/s - Tf = température finale en K Ici Tf = Température maximale de la bouteille Dynetek 150L 25 soit 358K (85 C) Exemple 1: détermination des équations de calculs LN/ Pf85.c \ = 2,18 - 0,00978 x PO -1,49 x LN(P0) -0, 237 x 1 + 0,529 x Po + PO) PO (30,3 + 0,0635 x PO + 2,91 x LN(P0) + 1, 13 x 1 - 3,25 x -W)) x PO Pfl00%masse qui est la pression finale limite au-delà de la-quelle on dépasse la masse nominale stockée dans la bouteille est déterminée selon l'équation (1) suivante: É Pf 100%masse P.fioo io,,,'.,e = -(0, 0001x LN(V) + 0,00062) x (P0, 15 C) + 0,04092 x LN(V) + 1,46882 (1) Tarnb En fonction de la vitesse en bar par seconde retenue par l'opérateur, les valeurs de Pf85 c vont être déterminées 10 selon les équations suivantes: ^ pour V = 0,25bar/s ^ pour V=0,5bar/s Tamb Tf i 2, 93 - 0,0159 x PO - 2, 07 x LN(P0) -1,42 x 1 + 0,777 x -\/PO + PO LN (21,0+0,0979xPO+6,55xLN(P0)+9,25x1 -4,50xtiIP0)x 1-Tarnb PO Tf ^ pour V=lbar/s ( Pf85 ( 1,04 x P0, =2,14-0,0161xPO-2,02xLN(P0)-1,52x 1 +0, 815x, P0+ PO LN (23,2 + 0,0966 x PO + 6,18 x LN(P0) + 9,92 x 1 - 4,56 x,IPO) x PO Tamb "' ^ pour V = 2bar/s 1/ Si la température ambiante est inférieure à 0 C Dans ce cas, le remplissage sera toujours limité par la masse nominale et donc Pf = 438bar. 2/ Si la température ambiante est supérieure à 0 C et PO -50bar. Pf 85 c 1,165 x P0, LN (-246 - 80,8 x PO + 513 x LN(P0) - 455 x LN2 (P0) +152 x LN' (P0)) x Pff85 c PO = -1,77 - 0,0256 x PO -1,43 x LN(P0) + 0,52 x 1 + 0,990 x,/PO + PO LN Tamb (43,1+0,126xPO+1,76xLN(P0)-1,7x 1 -4,67x,/P0)x PO Exemple 2: L'opérateur souhaite remplir une bouteille DYNETEK 1501 dont la température maximale de service est de 85 C (358K) avec de l'hydrogène. Il mesure la température ambiante (32 C) et la pression initiale à l'entrée de la bouteille (50 bars). Il choisit de remplir cette bouteille à une vitesse de 2 bars par seconde. Le calculateur lui indique alors à l'aide de l'équation 10 (1) que Pflooumasse =447 bars et que Pf85%=304 bars, calculée suivant l'équation ci-dessous. LN/ Pf85 = -1,77 - 0,0256 x PO - 1,43 x LN(P0) + 0,52 x 1 + 0,990 x,/PO + PO, PO i (43,1 + 0,126 x PO + 1,76 x LN(P0) -1,7 x I - 4,67 x,IPO) x 1 Tarn' PO Tf La pression finale de remplissage est alors égale au minimum de ces deux valeurs soit 304bar. L'opérateur règle alors la vitesse de remplissage à 2 bars par seconde et il commence le remplissage tout en mesurant la pression au niveau du connecteur, comme indi- qué précédemment. Un automate calcule la dérivée de cette pression par rapport au temps et permet de contrôler la vitesse de montée en pression par rapport à la consigne de 2bar/s. Lorsque cette pression atteint 304 bars, le rem-25 plissage est arrêté. Le protocole de remplissage ainsi suivi est résumé dans le tableau ci-dessous. Paramètres valeurs Mode d'obtention Température ambiante 32 C Mesure fixe Pression initiale 50 bars Mesure fixe Vitesse de remplissage 2bar/s Choix de l'opérateur Pression maximale autorisée 304 bars calcul Taux de remplissage 70% calcul Température finalem 85 C calcul Durée totale du remplissage 2,1 min calcul (u paramètre limitant le remplissage Exemple 3: L'opérateur souhaite remplir une bouteille DYNETEK 1501 dont la température maximale est de 85 C (358K). Il mesure la température ambiante (20 C) et la pression initiale à l'entrée de la bouteille (60 bars). Il choisit alors de remplir cette bouteille à une vitesse de 2 bars par seconde. Le calculateur lui indique à l'aide de l'équation suivante que pour un remplissage à 100, la pression finale est de 427 bars. LN PJ S5 C PO La pression finale correspond à une température finale de 85 C et est supérieure à 438bar. Le minimum des deux va-5 leurs correspond bien à 427bar. L'opérateur règle alors la vitesse de remplissage à 2 bars par seconde et il commence le remplissage tout en mesurant la pression au niveau du connecteur, comme indiqué précédemment. Un automate calcule la dérivée de cette pression par rapport au temps et permet de contrôler la vitesse de montée en pression par rapport à la consigne de 2bar/s. On interrompt le remplissage lorsque la pression atteint 427bar. Le protocole de remplissage ainsi suivi est résumé dans le tableau ci-dessous. Paramètres valeurs Mode d'obtention Température ambiante 20 C Mesure fixe Pression initiale 60 bars Mesure fixe Vitesse de remplissage 2bar/s Choix de l'opérateur Pression maximale autorisée 427 bars calcul Taux de remplissage' 100% calcul Température finale 77 C calcul Durée totale du remplissage 3,1 min calcul (' paramètre limitant le remplissage _ -1,77 0,0256 x PO -1,43 x LN(P0) + 0,52 x 1 + 0,990 x,/PO + PO (43,1+ 0,126xPO+1,76xLN(P0)-1,7x 1 -4,67x,fP0)x 1-Tamb PO Tf Exemple 4: Remplissage sécuritaire optimisé par estima-10 tion de la température en entrée: L'opérateur souhaite remplir avec de l'hydrogène une bouteille de type DYNETEK 150L dont la pression de service est 350bar et pouvant supporter une pression maxi- male de 438bar. L'opérateur souhaite terminer le remplis-sage à une pression de 400bar. L'opérateur mesure la température ambiante (35 C) et la pression à l'entrée de la bouteille (30 bars). Il choisit de remplir cette bouteille à une vitesse de 1,25 bar par seconde. Le calculateur lui indique alors que le remplissage doit être fait à une température d'entrée du gaz de -33 C. L'opérateur règle alors la température d'entrée du gaz à -33 C et la vitesse de remplissage à 1,25 bar par seconde et il commence le remplissage tout en mesurant la pression dans la bouteille. La pression est mesurée de manière dynamique au niveau du connecteur. Un automate calcule la dérivée de cette pression par rapport au temps et permet de contrôler la vitesse de 30 montée en pression par rapport à la consigne de 1,25bar/s. Lorsque la pression dans la bouteille atteint 400 bars, le remplissage est arrêté. Le protocole de remplissage ainsi suivi est résumé dans le tableau ci-dessous. 10 Paramètres valeurs Mode d'obtention Température ambiante 35 C Mesure instantanée Pression initiale 30 bars Mesure fixe Vitesse de remplissage 1,25bar/s Choix de l'opérateur Pression finale 400bars Choix de l'opérateur Température de remplissage -33 C calcul L'opérateur souhaite ensuite remplir la même bouteille avec la même pression finale de 400bar mais avec les conditions suivantes: la température ambiante (20 C) et la pression à l'entrée de la bouteille (60 bars). L'opérateur souhaite remplir la bouteille à une vitesse de 1,75 bar par seconde. Le calculateur lui indique alors que le remplis-sage doit être fait à une température d'entrée du gaz de - 20 17 C. L'opérateur règle alors la température d'entrée du gaz à -17 C et la vitesse de remplissage à 1,75 bar par seconde et il commence le remplissage tout en mesurant la pression dans la bouteille, comme précédemment. Lorsque la pression dans la bouteille atteint 400 bar, le remplis-sage est arrêté. Le protocole de remplissage ainsi suivi est résumé dans le tableau ci-dessous. Paramètres valeurs Mode d'obtention Température ambiante 20 C Mesure instantanée Pression initiale 60 bars Mesure fixe Vitesse de remplissage 1,75bar/s Choix de l'opérateur Pression finale 400bars Choix de l'opérateur Température de remplissage -17 C calcul REVENDICATIONS 1. Procédé de remplissage de bouteille de gaz sous pression, caractérisé par le fait que le remplissage est paramétré à l'aide d'une valeur choisie de la dérivée de la pression d'entrée dans la bouteille en fonction du temps. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la valeur de la dérivée de la pression d'entrée dans la bouteille en fonction du temps est choisie en fonction de la température ambiante mesurée avant le remplissage et de la pression initiale du gaz dans la bouteille. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que la valeur choisie de la dérivée de la pression d'entrée dans la bouteille en fonction du temps est comprise entre 0,05 bar/s et 20 bar/s, de préférence entre 0,10 et 15 bar/s et plus préférentiellement encore entre 0,5 bar/s et 12 bar/s. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que la valeur de la dérivée de la pression d'entrée dans la bouteille en fonction du temps est sélectionnée soit par l'opérateur soit automatiquement. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que la pression finale dans la bouteille est calculée pour correspondre à la plus sévère des deux conditions suivantes: capacité nominale de remplissage ou température de calcul des bouteilles. 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé par le fait la pression finale est calculée en fonction de la température ambiante et de la pression initiale dans la bouteille. 7. Procédé selon la revendication 5 ou 6, caractérisé par le fait le remplissage est piloté uniquement à l'aide de la pression d'entrée dans la bouteille. 8. . Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que le remplissage de la bouteille se fait à une température calculée en fonction de la pression initiale et de la température ambiante et d'une pression finale de remplissage. 9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé par le fait que la température calculée est inférieure à la 15 température ambiante. 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé par le fait qu'il est adapté pour un remplissage rapide, c'est-à-dire un remplissage qui doit être réalisé en une durée allant de moins d'1 minute jus- qu'à 10 minutes. 11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé par le fait que le gaz est choisi dans le groupe comprenant notamment gaz naturel ou méthane, hydrogène, oxygène, azote et hélium. 12. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé par le fait que la bouteille est de forme généralement cylindrique avec un rapport longueur L sur diamètre D, L/D, inférieur à 6, de préférence de 1 à 5, et plus préférentiellement encore de 1 à 4. 13. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé par le fait que la bouteille à remplir est disposée de façon horizontale ou bien de façon verticale, le remplissage se faisant alors du haut vers le bas. 14. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisé par le fait que plusieurs bouteilles sont remplies en parallèle.