Brevet FR2927402A1 — publié le 20090814

Domaine de l'invention La présente invention concerne un procédé de remplissage d'un réservoir d'alimentation en hydrogène gazeux. Etat de la technique Les procédés du type décrit ci-dessus pour remplir un réservoir avec de l'hydrogène gazeux sous pression s'utilisent notamment pour le remplissage des réservoirs de véhicules automobiles. Actuellement, on utilise pratiquement trois procédés différents pour remplir un réservoir avec de l'hydrogène gazeux sous pression. • Procédé par équilibrage des pressions : selon ce procédé, à partir d'un système de stockage d'hydrogène (il peut s'agir d'un réservoir de stockage ou d'un pipe-line) à l'aide d'un compresseur et d'une pompe cryogénique, on remplit de gaz plusieurs réservoirs tampon à des niveaux de pression différents. A partir de ces réservoirs tampon, on remplit un réservoir d'alimentation (réservoir de véhicule) en fournissant l'hydrogène par équilibrage des pressions entre les réservoirs-tampon et le réservoir final, jusqu'à atteindre la pression d'alimentation. • Procédé de relevage : selon ce procédé, un système d'alimentation en hydrogène remplit directement le réservoir (réservoir du véhicule) selon le débit demandé à l'aide d'un compresseur. • En pratique, on utilise également des systèmes mixtes combinant les deux procédés décrits ci-dessus. Selon ces systèmes, on réalise tout d'abord un remplissage partiel du réservoir par équilibrage des pressions à partir des réservoirs-tampon de gaz avant de remplir ensuite le réservoir d'alimentation jusqu'à la pression finale souhaitée en utilisant le procédé de relevage. Les procédés décrits ci-dessus de remplissage d'un réservoir avec de l'hydrogène gazeux sous pression permettent de remplir un réservoir d'alimentation jusqu'à une pression de 700 bars à une température de 15°C. Mais, la difficulté de ces procédés est que pour des réservoirs (réservoirs de véhicule) à remplir de volumes différents, l'opération ne peut pas toujours se faire sans provoquer un remplissage excessif, non souhaité et/ou de provoquer une surchauffe du réservoir. But de l'invention La présente invention a pour but de développer un procédé du type ci-dessus de remplissage d'un réservoir avec de l'hydrogène gazeux sous pression permettant d'effectuer l'opération et de l'optimiser du point de vue énergétique. En outre, il faut éviter autant que possible les pertes d'hydrogène. Exposé et avantages de l'invention A cet effet, l'invention concerne un procédé du type défini ci-dessus, caractérisé en ce que : a) on comprime à une pression moyenne de l'hydrogène liquide prélevé dans un réservoir de stockage et on le stocke de façon intermédiaire dans un réservoir tampon, b) on comprime les gaz d'ébullition produits dans le réservoir d'alimentation et on les stocke dans le réservoir tampon, c) pour remplir le réservoir d'alimentation, on réalise tout d'abord un équilibrage des pressions entre le réservoir d'alimentation à remplir et le réservoir tampon, et d) on comprime l'hydrogène du réservoir tampon à la pression d'alimentation souhaitée pour le fournir au réservoir d'alimentation, e) cette compression de l'hydrogène et celle des gaz d'ébullition se fait à l'aide d'un compresseur ou de deux compresseurs. L'utilisation de seulement un compresseur pour comprimer l'hydrogène et les gaz dégagés par ébullition se fera en pratique notamment si le compresseur utilisé permet de traiter les différents niveaux de pression appliqués à son entrée et à sa sortie. Dans la mesure où cela n'est pas le cas ou pour d'autres considérations, on peut également prévoir deux compresseurs conçus pour travailler à des niveaux de pression différents. Selon d'autres caractéristiques avantageuses : - la pression moyenne se situe dans une plage de pression comprise entre 100 et 600 bars et de préférence entre 200 et 450 bars, - la compression de l'hydrogène liquide prélevé du réservoir d'alimentation se fait à l'aide d'une pompe à piston, cryogénique, - du réservoir de stockage on prélève et on comprime seulement une quantité d'hydrogène suffisante pour remplir le réservoir-tampon à 90 % et de préférence à 80 %, - le stockage de l'hydrogène liquide se fait dans au moins un réservoir d'alimentation isolé sous vide, - le réservoir d'alimentation à remplir est un réservoir d'alimentation mobile, notamment le réservoir d'alimentation d'un véhicule automobile, d'un véhicule sur rail ou d'un avion. Le procédé de remplissage d'un réservoir avec de l'hydrogène gazeux sous pression nécessite de préparer de l'hydrogène liquide ou d'en disposer. Cet hydrogène est habituellement stocké de façon intermédiaire dans un réservoir de stockage, isolé sous vide. Ce stockage apparaît comme la solution la plus intéressante pour les différents schémas de distribution envisagés pour l'avenir pour les stations de distribution d'hydrogène : -jusqu'à présent il n'existe pas de reseau de pipe-line d'hydrogene permettant de distribuer des quantités suffisantes d'hydrogène, - le stockage d'hydrogène à l'état gazeux n'est pas intéressant, car cela représente un encombrement trop important, - les variations des quantités distribuées peuvent être compensées de la manière la plus souple par l'adaptation des principes logistiques qui se sont confirmés dans l'industrie pétrolière. Selon l'invention, on comprime de l'hydrogène prélevé d'un réservoir de stockage, à l'état liquide, jusqu'à une pression moyenne et on stocke cet hydrogène de façon intermédiaire dans un ou plusieurs réservoirs-tampon. La compression de l'hydrogène prélevé dans le réservoir de stockage se fait de préférence avec une pompe à piston cryogénique. Actuellement, on réalise des pompes à piston, cryogéniques permettant une compression jusqu'à une pression 450 bars. L'expression � pression moyenne � concerne une plage de pression comprise entre 100 bars et 600 bars et de préférence entre 200 bars et 450 bars. Une grande partie du travail de compression est réalisée selon le procédé de l'invention, de manière avantageuse du point de vue énergétique avec de l'hydrogène à l'état liquide. La consommation d'énergie pour une telle compression de fluide ne représente environ que 20 % de l'énergie nécessaire à la compression d'hydrogène gazeux. L'hydrogène ainsi comprimé est stocké de façon intermédiaire dans un ou plusieurs réservoirs-tampon. Dans le cas de réservoirs tampon à des niveaux de pression différents, il s'agit d'un système de banques. De façon avantageuse, on prélève et on comprime seulement une quantité d'hydrogène à partir du réservoir de stockage suffisante pour remplir le ou les réservoirs tampon jusqu'à 90 % et de préférence 80 %. Cela garantit que les gaz dégagés par ébullition et qui sont comprimés puissent également être stockés de façon intermédiaire dans le ou les réservoirs-tampon. Dans tous les systèmes cryogéniques connus comprenant un ou des réservoirs, des pompes, etc.., il faut tenir compte du comportement d'ébullition car la chaleur de l'environnement qui arrive dans le système cryogénique vaporise de l'hydrogène liquide. Du fait de l'expansion beaucoup plus importante des gaz, cela se traduit par une augmentation de la pression dans le système cryogénique. Pour l'éviter il faut évacuer du système ce gaz d'ébullition. En général, le réservoir de stockage comporte une conduite débouchant à l'air libre par une cheminée par laquelle s'évacuent les gaz d'ébullition jusqu'à atteindre un certain niveau de pression. Mais, ce procédé se traduit par la perte de cette partie d'hydrogène stocké. Selon l'invention, on comprime les gaz d'ébullition produits dans le réservoir de stockage et on assure leur stockage intermédiaire dans des réservoirs-tampon. Le compresseur nécessaire à cela est de préférence conçu pour que lorsqu'on atteint un certain niveau de pression ou niveau de pression réglable, la compression des gaz d'ébullition se fait automatiquement. Selon l'invention pour remplir un réservoir d'alimentation, on réalise tout d'abord un équilibrage des pressions entre le réservoir d'alimentation à remplir et le réservoir tampon. Si l'on utilise un système de banques composé en général de trois réservoirs- tampon, on remplit le réservoir d'alimentation (réservoir du véhicule) avec de l'hydrogène, prélevé successivement du réservoir-tampon à basse pression, du réservoir-tampon à moyenne pression et du réservoir tampon à haute pression. Pour éviter une surchauffe du réservoir d'alimentation à remplir du fait de l'effet Joule-Thompson-négatif et de la compression adiabatique de l'hydrogène, on pré-refroidit l'hydrogène gazeux à une température d'environ - 40°C, directement avant le remplissage. Cela se fait de préférence à l'aide d'un système de refroidissement actif. De plus, en général, en commandant la limitation du débit massique d'hydrogène, on assure que la différence des pressions entre le ou les réservoirs-tampon et le réservoir d'alimentation (réservoir du véhicule) à remplir, ne soit pas trop grande pour ne pas dépasser un débit massique maximum. Après le remplissage du réservoir d'alimentation (réservoir du véhicule) à partir du ou des réservoirs tampon, on atteint en général une pression comprise entre 350 bars et 450 bars dans le réservoir d'alimentation ; cette pression dépend en définitive du niveau de remplissage du ou des réservoirs-tampon. Pour remplir le réservoir d'alimentation (réservoir du véhicule) dans la pression finale souhaitée, il est prévu selon l'invention de comprimer l'hydrogène provenant du ou des réservoirs-tampon jusqu'à la pression finale souhaitée et de fournir ainsi l'hydrogène au réservoir d'alimentation à remplir. Selon l'invention, cette compression de l'hydrogène se fait avec le même compresseur que celui utilisé pour comprimer les gaz ou vapeurs dégagés par ébullition. Cette procédure a l'avantage qu'un unique compresseur assure la fonction de deux compresseurs. Pour que cela soit possible en pratique, il faut que le compresseur soit intégré dans le procédé de l'invention pour réaliser de préférence une commutation automatique entre les deux fonctions selon les nécessités actuelles de fonctionnement. La difficulté est dans la différence que peuvent avoir les données relatives à la puissance pour les deux fonctions. Dans le cas de la compression des gaz d'ébullition, la pression d'aspiration est comprise entre 0 bars et 12 bars, le rendement de la compression varie de 20 à 100 m3/h et la pression finale de la compression est de l'ordre de 300 bars. La compression à réaliser dans la seconde étape de remplissage pour l'hydrogène provenant du ou des réservoirs tampon, correspond actuellement aux données de fonctionnement suivantes : - pression d'aspiration jusqu'à 300 bars, - rendement de la compression 1200 à 200 m3/h, - pression finale de la compression 875 bars à une température de 85°C, ce qui correspond à une pression de 700 bars pour une température de 15°C. Comme pour un même volume géométrique de compression (chambre de compression) et une pression d'entrée multipliée par 10 voire jusqu'à 20, le compresseur utilisé pour le procédé de l'invention est conçu pour traiter le faible niveau de pression et le niveau de pression élevé appliquées à son entrée et à sa sortie. Si le procédé selon l'invention de remplissage d'un réservoir d'alimentation avec de l'hydrogène gazeux sous pression est appliqué dans une station de distribution d'hydrogène, cela permet d'assurer une circulation efficace notamment au cours de la période transitoire pendant laquelle un nombre relativement réduit de véhicules s'alimentent à la station. Ainsi, pour un faible nombre de véhicules, il n'est pas (encore) nécessaire de � refroidir � la pompe cryogénique prévue pour comprimer l'hydrogène liquide prélevé dans le réservoir de stockage. L'expression � refroidir � signifie ici que la pompe cryogénique doit être refroidie par de l'hydrogène liquide à une température de fonctionnement de - 253°C et que cette température doit être maintenue. Du fait des faibles quantités à comprimer, le compresseur prévu suffit pour remplir les véhicules. Si le nombre de véhicules augmente, il faudra refroidir la pompe cryogénique et assurer le travail principal de compression avec des débits massiques importants. Le procédé selon l'invention de remplissage d'un réservoir d'alimentation avec de l'hydrogène gazeux sous pression offre, vis-à-vis de l'état de la technique, un grand nombre d'avantages résumés ci-après : - des débits massiques élevés, - une compression cryogénique avantageuse du point de vue énergétique, 7 - pas de perte de gaz d'ébullition, - faible encombrement grâce à des compresseurs peu encombrants, - des réservoirs-tampon de volume relativement faible sont nécessaires grâce aux débits élevés, - grande souplesse concernant les débits pompés et les concepts d'utilisation en particulier pour la solution combinée pompe cryogénique/ compresseur, -redondance systématique, car en cas de défaillance ou d'entretien de la pompe cryogénique, on peut utiliser des débits massiques plus faibles à travers le compresseur et en cas de défaillance du compresseur, avec la pompe ; cela permet un remplissage au moins jusqu'à une pression moyenne d'environ 400 bars.15 REVENDICATIONS 1 °) Procédé de remplissage d'un réservoir d'alimentation en hydrogène gazeux sous pression selon lequel : a) on comprime à une pression moyenne de l'hydrogène liquide prélevé dans un réservoir de stockage et on le stocke de façon intermédiaire dans un réservoir tampon, b) on comprime les gaz d'ébullition produits dans le réservoir d'alimentation et on les stocke dans le réservoir tampon, c) pour remplir le réservoir d'alimentation, on réalise tout d'abord un équilibrage des pressions entre le réservoir d'alimentation à remplir et le réservoir tampon, et d) on comprime l'hydrogène du réservoir tampon à la pression d'alimentation souhaitée pour le fournir au réservoir d'alimentation, e) cette compression de l'hydrogène et celle des gaz d'ébullition se fait à l'aide d'un compresseur ou de deux compresseurs. 2°) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pression moyenne se situe dans une plage comprise entre 100 bars et 600 bars et de préférence entre 200 bars et 450 bars. 3°) Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la compression de l'hydrogène liquide prélevé du réservoir d'alimentation se fait à l'aide d'une pompe à piston, cryogénique. 4°) Procédé selon les revendications 1 à 3, caractérisé en ce que du réservoir de stockage on prélève et on comprime seulement une quantité d'hydrogène suffisante pour remplir le réservoir-tampon à 90 % et de préférence à 80 %. 5°) Procédé selon les revendications 1 à 4, caractérisé en ce que 9 le stockage de l'hydrogène liquide se fait dans au moins un réservoir d'alimentation isolé sous vide. 6°) Procédé selon les revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le réservoir d'alimentation à remplir est un réservoir d'alimentation mobile, notamment le réservoir d'alimentation d'un véhicule automobile, d'un véhicule sur rail ou d'un avion. 15