Brevet FR2897140A1 — publié le 20070810

La présente invention concerne un procédé de remplissage d'un conteneur de gaz sous pression. L'invention concerne notamment le remplissage rapide de conteneurs ou bouteilles haute pression. L'invention peut concerner en particulier les véhicules utilisant un gaz comme combustible stocké dans des bouteilles haute pression. En effet pour ce type d'application, il est nécessaire de remplir les bouteilles haute pression rapidement. Par ailleurs, les bouteilles utilisées doivent être légères ce qui impose des contraintes sur le type de matériaux utilisés et leur épaisseur. Les bouteilles typiquement utilisées sont des bouteilles de type III (c'est-à-dire comprenant un liner ou enveloppe étanche métallique et un renfort composite) ou de type IV (c'est-à-dire comprenant un liner thermoplastique et un renfort composite). Bien entendu, l'invention n'est pas limitée à cette application et peut être utilisée pour toute autre application et notamment lorsque la rapidité du remplissage est un facteur important. Le remplissage rapide de bouteilles haute pression engendre une augmentation importante de la température du gaz à l'intérieur de la bouteille. En effet, lors du remplissage, la compression du gaz à l'intérieur de la bouteille provoque son échauffement. Cet échauffement pose plusieurs problèmes. Les bouteilles doivent en effet être maintenues en dessous d'une température maximale, donnée par les caractéristiques des matériaux dont elles sont constituées. Par ailleurs, lorsque la température du gaz augmente, la masse stockée dans la bouteille diminue, la pression maximale étant fixée par la limite de résistance de la bouteille. De plus, l'évolution de température dans la bouteille au cours du remplissage est difficile à prédire. Elle dépend de nombreux facteurs dont la vitesse de remplissage, la pression initiale dans la bouteille, la température ambiante, la température initiale dans la bouteille, la température du gaz de remplissage, la forme et le volume de la bouteille,... Par ailleurs, la mesure de la température du gaz au cours du remplissage est complexe du fait de plusieurs facteurs dont le nécessaire maintien de l'étanchéité de la bouteille, la présence de gradients thermiques ,... Il est donc difficile, lors d'un remplissage, de garantir le respect des limitations en température de la bouteille et de contrôler de la quantité de gaz transféré avec précision. Pour résoudre ces problèmes, diverses solutions ont été envisagées comme par exemple réduire la température du gaz à la fin du remplissage en injectant du gaz froid. Un tel procédé présente cependant des inconvénients notamment en ce qui concerne les limites de résistance de la bouteille aux basses températures et le coût énergétique lié au refroidissement. Une autre solution consiste à remplir les bouteilles avec un débit variable pour réduire l'augmentation de température du gaz. Cependant la réduction de température obtenue n'est pas toujours suffisante. La pression de service Ps du conteneur est définie comme la pression nominale d'utilisation en conditions standard. La pression de consigne Pc du conteneur est définie comme la pression à atteindre à la fin du remplissage et qui tient compte des conditions de remplissage (pression initiale dans la bouteille, la température du gaz de remplissage et la vitesse de remplissage,....) et des conditions extérieures (température ambiante,...). Un but de l'invention est de proposer une solution palliant tout ou partie des 20 inconvénients de l'art antérieur. Ce but est atteint par le fait que le procédé de remplissage d'un conteneur de gaz sous pression, par ailleurs conforme au préambule ci-dessus, est essentiellement caractérisé en ce qu'il comporte : - une étape préliminaire d'introduction d'un volume déterminé de liquide 25 dans le conteneur, - une étape de soutirage progressif du liquide contenu dans le conteneur de façon à augmenter le volume disponible pour du gaz dans le conteneur, et - une étape d'introduction progressive de gaz sous pression dans le conteneur. 30 Par ailleurs, l'invention peut comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - l'étape préliminaire est précédée d'une phase de soutirage du gaz contenu dans la bouteille, - les étapes d'introduction du liquide et de soutirage de gaz sont réalisées à des instants au moins proches et de préférence au moins en partie simultanés, - les étapes de soutirage du liquide et d'introduction de gaz sous pression sont réalisées à des instants au moins proches et de préférence au moins en partie simultanés, - le volume déterminé de liquide introduit lors de l'étape préliminaire est choisi de façon à atteindre une pression déterminée de gaz dans le volume disponible du conteneur, - la pression du gaz dans le volume disponible du conteneur est proche de la pression de service du conteneur, - la pression du gaz dans le volume disponible du conteneur est proche de la pression de consigne du conteneur, - la pression de consigne du conteneur est calculée en fonction de la pression de service en tenant compte des conditions de remplissage telles que la pression initiale dans la bouteille, la température du gaz de remplissage, la vitesse de remplissage et des conditions extérieures telles que la température ambiante, - le soutirage du liquide contenu dans le conteneur est piloté de façon à maintenir la pression du gaz dans le volume disponible à une valeur déterminée, - les étapes d'introduction et de soutirage du liquide sont réalisées dans une enveloppe déformable disposée dans le conteneur, - le gaz introduit dans le conteneur est prélevé d'un réservoir de stockage, le liquide introduit dans le conteneur étant prélevé d'un réseau et/ou du même réservoir de stockage, - le liquide soutiré lors de l'étape de soutirage est introduit dans le réservoir 25 de stockage, - les étapes d'introduction et de soutirage de liquide sont réalisées via un premier orifice du conteneur et en ce que l'étape d'introduction de gaz sous pression est réalisée via un second orifice du conteneur, les premier et second orifices étant distincts ou identiques, 30 - la ligne d'alimentation en gaz est maintenue à la pression de service Ps, - la ligne d'alimentation en gaz est maintenue à la pression de consigne Pc, - la pression Ps de service est comprise entre 20 et 1000 bar et de préférence entre 200 et 1000 bar, - le soutirage du liquide contenu dans le conteneur est piloté de façon à maintenir la pression du gaz dans le volume disponible à une valeur déterminée de préférence proche de la pression de service Ps ; - le soutirage du liquide contenu dans le conteneur est piloté de façon à maintenir la pression du gaz dans le volume disponible à une valeur déterminée de préférence proche de la pression de consigne Pc ; - le gaz comprend l'un au moins des constituants suivants : de l'hydrogène, du gaz naturel, méthane, et en ce que le liquide comprend au moins l'un des constituants suivants : de l'eau, de l'eau glycolée, de l'huile. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux à la lecture de la description ci-après, faite en référence aux figures, dans lesquelles : - la figure 1 représente schématiquement la structure et le fonctionnement d'un système de remplissage selon l'invention lors d'une première phase de remplissage, - la figure 2 représente le système de remplissage de la figure 1 lors d'une seconde phase de remplissage, - la figure 3 représente schématiquement une variante de réalisation du système de remplissage selon l'invention, - la figure 4 représente schématiquement une autre variante de réalisation du système de remplissage selon l'invention incluant une source comportant un réservoir de stockage. L'invention propose de remplir un réservoir ou une bouteille à une pression sensiblement constante en faisant varier le volume libre pour du gaz dans la bouteille. Cette variation de volume peut être réalisée à l'aide d'une phase liquide (par exemple de l'eau) qui est introduite avant le remplissage du gaz et évacuée au fur et à mesure du remplissage. Ce procédé diminue ou élimine la compression du gaz injecté dans la bouteille qui est la principale cause de l'augmentation de la température. Il devient alors possible de remplir une bouteille de gaz à haute pression plus rapidement, le temps de remplissage n'étant plus limité par le contrôle de la montée en température de la bouteille, mais par les débits qu'il est possible de faire passer dans la bouteille En se référant à présent aux figures 1 et 2, le procédé selon l'invention comporte principalement deux phases. Dans une première phase (figure 1), la bouteille 1 est remplie avec une phase liquide (par exemple un volume VL d'eau). Si nécessaire, avant et/ou pendant la première phase de remplissage du conteneur avec du liquide, il peut être avantageux de vider au moins une partie du premier gaz précédemment contenu dans la bouteille. Le premier gaz précédemment contenu dans la bouteille peut être identique ou différent du gaz qui sera introduit lors du remplissage. De préférence, le liquide L est introduit dans la bouteille 1 jusqu'à ce que la pression du volume VG de gaz dans la bouteille atteigne la pression Pc de consigne de la bouteille 1 (figure 2). Lors d'une seconde phase, le gaz G est introduit dans la bouteille 1 à la pression de consigne Pc. A cet effet, un système 2 d'alimentation en phase liquide et un système 3 d'alimentation en gaz sont connectés à la bouteille 1. Lors de la seconde phase, le liquide L est évacué au fur et à mesure du remplissage avec le gaz G, de sorte que la pression PG de gaz dans la bouteille est maintenue sensiblement constante et proche de la pression de consigne Pc de remplissage. Le débit volumique de liquide sortant est de préférence égal au débit volumique du gaz entrant. Comme représenté, les alimentations et soutirage de liquide L et de gaz G peuvent être réalisées via un même orifice. Bien entendu, si la bouteille possède plusieurs entrées distinctes, l'alimentation en liquide et en gaz peuvent être réalisées par des entrées distinctes (cf. figure 3). Dans la variante de réalisation de la figure 3, une enveloppe déformable et de préférence imperméable est disposée dans la bouteille 1. L'enveloppe 4 est connectée au système 2 d'alimentation liquide. De cette façon, l'enveloppe 4 permet d'assurer le même remplissage que celui décrit précédemment, tout en évitant les contacts entre la bouteille 1 et le liquide L ainsi que la pollution du gaz G par le liquide L. Cette variante peut être réalisée via une ou plusieurs entrées dans la bouteille 1. Il faut noter que pendant la phase de remplissage en liquide L, le gaz résiduel G dans la bouteille 1 est comprimé. Cependant, l'augmentation de température induite par cette compression est relativement faible car soit la masse de gaz résiduelle est relativement faible et donc la chaleur générée est faible, soit la pression résiduelle de gaz est déjà élevée et donc la chaleur produite par compression est faible. De plus, le liquide introduit dans la bouteille grâce à sa capacité thermique élevée peut absorber une partie importante de la chaleur produite par la compression du gaz résiduel. Toutefois, pour éviter toute augmentation de température pendant cette phase d'introduction de liquide L, il est possible de vider la bouteille du gaz résiduel. La figure 4 illustre de façon plus détaillée un exemple de système de remplissage selon l'invention. Les éléments identiques à ceux décrits ci-dessus sont désignés par les mêmes références numériques et ne sont pas décrits une seconde fois en détail. Dans l'exemple de réalisation de la figure 4, le remplissage du conteneur ou bouteille 1 est réalisé à partir d'un réservoir source 5. C'est à dire que le système 3 d'alimentation en gaz connecté à la bouteille 1 est approvisionné par le réservoir 5 source de stockage. Le système 2 d'alimentation en phase liquide est relié à un réseau R de liquide comprenant une première pompe 6. La ligne d'alimentation en liquide du système 2 d'alimentation est également reliée au réservoir 5 de stockage via une vanne 8 et une seconde pompe 7. Comme précédemment, le remplissage peut comporter deux phases. Dans une première phase - la vanne 8 sur la branche reliant la ligne d'alimentation liquide au réservoir 5 de stockage est fermée - la vanne 9 sur la ligne d'alimentation en gaz est fermée, - la vanne 10 sur la branche reliant le réservoir 5 de stockage au réseau R est fermée, et - la vanne 11 sur la branche connectant la bouteille 1 au réseau liquide R (comportant la première pompe 6) est ouverte. De cette façon, la bouteille 1 est remplie avec du liquide L du réseau R au 30 moyen de la première pompe 6 haute pression jusqu'à ce que la pression du gaz dans la bouteille 1 atteigne la pression de consigne Pc. Dans une seconde phase : - la vanne 11 sur la branche connectant la bouteille 1 au réseau liquide R est fermée, - la vanne 10 sur la branche reliant le réservoir 5 de stockage au réseau R est fermée, - la vanne 9 sur la ligne d'alimentation en gaz est ouverte et -la vanne 8 sur la branche reliant la ligne d'alimentation liquide au réservoir 5 de stockage est ouverte. De cette façon, la bouteille 1 est remplie avec du gaz G à partir du réservoir 5 de stockage et le liquide L est évacué de la bouteille 1 vers l'intérieur du réservoir 5 de stockage au moyen de la seconde pompe 7. Le remplissage de gaz et le soutirage de liquide sont contrôlés de sorte que la pression dans la bouteille 1 reste proche de la pression de consigne. Lorsque le réservoir 5 de stockage ne contient plus de gaz G, le liquide L est vidangé vers le réseau R à travers la vanne 10. Ce procédé présente de nombreux avantages. Ainsi, la température dans la bouteille 1 augmente peu comme expliqué auparavant. Par ailleurs, la pression dans le réservoir 5 de stockage reste sensiblement constante ce qui permet une optimisation de l'utilisation de la masse de gaz stockée dans ce réservoir 5. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée à l'exemple ci-dessus. Ainsi, par exemple, si le réservoir de stockage 5 est située en dessous de la bouteille 1 à remplir (par exemple enterré) il est possible de s'affranchir de la seconde pompe 7. Dans ce cas, il est préférable que l'injection du liquide dans le réservoir 5 de stockage s'effectue par le haut et que le débit de liquide entre les deux contenants 1 et 5 soit contrôlé par une vanne de régulation. Le débit maximal pourra être limité par la différence de niveau des deux réservoirs 1 et 5. REVENDICATIONS 1. Procédé de remplissage d'un conteneur de gaz sous pression comportant : - une étape préliminaire d'introduction d'un volume déterminé (VL) de liquide (L) dans le conteneur (1), - une étape de soutirage progressif du liquide (L) contenu dans le conteneur (1) de façon à augmenter le volume (VG) disponible pour du gaz dans le conteneur (1), et - une étape d'introduction progressive de gaz (G) sous pression dans le conteneur (1). 2. Procédé de remplissage selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape préliminaire est précédée d'une phase de soutirage du gaz contenu dans la bouteille. 15 3. Procédé de remplissage selon la revendication 2, caractérisé en ce que les étapes d'introduction du liquide (L) et de soutirage de gaz sont réalisées à des instants au moins proches et de préférence au moins en partie simultanés. 4. Procédé de remplissage selon l'une quelconque des 20 revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les étapes de soutirage du liquide (L) et d'introduction de gaz (G) sous pression sont réalisées à des instants au moins proches et de préférence au moins en partie simultanés. 5. Procédé de remplissage selon l'une quelconque des 25 revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le volume déterminé (VL) de liquide (L) introduit lors de l'étape préliminaire est choisi de façon à atteindre une pression (P) déterminée de gaz dans le volume (VG) disponible du conteneur (1). 6. Procédé de remplissage selon la revendication 5, caractérisé 30 en ce que la pression (P) du gaz dans le volume (VG) disponible du conteneur (1) est proche de la pression de service (Ps) du conteneur. 10 7. Procédé de remplissage selon la revendication 5, caractérisé en ce que la pression (P) du gaz dans le volume (VG) disponible du conteneur (1) est proche de la pression de consigne (Pc) du conteneur. 8. Procédé de remplissage selon la revendication 7, caractérisé en ce que la pression de consigne (Pc) du conteneur est calculée en fonction de la pression de service (Ps) et en tenant compte des conditions de remplissage telles que la pression initiale dans la bouteille, la température du gaz de remplissage, la vitesse de remplissage et des conditions extérieures telles que la température ambiante. 9. Procédé de remplissage selon l'une quelconque des revendications 5 à 8, caractérisé en ce que le soutirage du liquide (L) contenu dans le conteneur (1) est piloté de façon à maintenir la pression (P) du gaz dans le volume (VG) disponible à une valeur déterminée. 10. Procédé de remplissage selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que les étapes d'introduction et de soutirage du liquide (L) sont réalisées dans une enveloppe déformable disposée dans le conteneur (1). 11. Procédé de remplissage selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que le gaz introduit dans le conteneur (1) est prélevé d'un réservoir (5) de stockage, le liquide (L) introduit dans le conteneur (1) étant prélevé d'un réseau (R) et/ou du même réservoir (5) de stockage. 12. Procédé de remplissage selon la revendication 11, caractérisé en ce que le liquide soutiré lors de l'étape de soutirage est introduit dans le réservoir (5) de stockage.