Brevet FR2967220A1 — publié le 20120511

Système de compression à gaz L'invention concerne un régulateur pour un système de compression à gaz ainsi qu'un procédé mettant en oeuvre un tel système. On connait différents procédés pour comprimer un gaz, notamment à l'aide d'énergie de compression fournie par une alimentation électrique, par une combustion de carburant fossile ou par un second gaz dénommé gaz moteur. Dans ce dernier cas, le principe de la compression peut être décrit à l'aide d'un compresseur 100 (figure 1) qui admet le gaz 102 à comprimer dans un cylindre 104, un piston 106 coulissant dans ce cylindre 104 de fa- çon à réduire son volume et accroître ainsi la pression du gaz 102 admis. Pour commander les coulissements du piston 106, un gaz moteur 108 est admis dans un second cylindre 110 au sein duquel peut également cou-lisser le piston 106 en offrant, au gaz moteur 108, une surface S108 de con-tact plus importante que la surface S102 de contact offerte au gaz 102 à comprimer dans le compartiment 104. De ce fait, le piston 106 se déplace entre les deux cylindres 104 et 110 afin de maintenir un équilibre tel que, pour, une pression P108 dans le cylindre 110, il entraîne une pression P102 dans le cylindre 104 telle que : P108 * S108 = P102 *S102 Pendant la phase de compression du gaz à comprimer, il est ainsi possible d'obtenir une force appliquée sur S108 nettement supérieure à celle de contre pression en S102 et de mettre en oeuvre la fonction de compression du gaz 102 à des pressions très élevées à partir d'une pression motrice P108 nettement plus faible. Pendant la phase d'admission du gaz à comprimer, le phénomène in-verse se produit. Le gaz moteur 108 est détendu, généralement à la pression atmosphérique, et le gaz à comprimer 102 est introduit dans le cylindre 104. La force appliquée sur S102 est nettement supérieure à celle de contre pression en S108 et permet de mettre en oeuvre la fonction d'admission du gaz à comprimer 102 et d'évacuation du gaz moteur 108. L'enchainement des phases d'admission et de compression déplacent le piston 106 dans un mouvement alternatif de va et vient. En référence à la figure 2, il est connu de mettre en oeuvre le principe de compression par gaz moteur précédemment décrit dans un système 200 comprenant une source 201 du gaz 102 à comprimer associée à un réservoir 202 tampon permettant de réguler l'alimentation du compresseur 100 en gaz 102 à comprimer. De fait, la source de gaz 201 à comprimer peut délivrer ledit gaz 102 avec un débit variable dépendant de la capacité de production du générateur de gaz à comprimer comme par exemple un générateur d'hydrogène et d'oxygène par électrolyse de l'eau ou par reformage. La source 204 du gaz moteur 108 met en oeuvre une pression correspondant à la pression du gaz 108 dans le réseau de distribution auquel est raccordé le compresseur 100. Un pressostat 103 mesure la pression du gaz 102 se trouvant dans le réservoir 202 tampon de façon à déclencher le compresseur 100 dès lors que ladite pression 102 atteint une valeur seuil. Dès que le compresseur 100 est déclenché, la pression du gaz 102 se trouvant dans le réservoir 202 tampon diminue car le débit de production 201 est inférieur au débit de sortie du compresseur. Dans ce cas, le compresseur 100 est stoppé à un seuil bas de façon à accroître ladite pression du gaz 102 par l'admission en 202 de nouveaux gaz. En d'autres termes, le surpresseur 100 fonctionne par à-coup. La vitesse de déplacement de son piston est élevée et requiert une consommation en gaz moteur importante. En outre, une vitesse de déplacement élevée du piston impacte né- cessairement la durée de vie du compresseur et la consommation en gaz moteur. Après son passage dans le compresseur 100, le gaz 102 comprimé est stocké dans un réservoir 208 à haute pression, cette haute pression augmentant au fur et à mesure de la compression du gaz 102 dans ledit ré- servoir 208. Dans ce contexte, l'invention se propose de résoudre les problèmes rencontrés par les systèmes de compression à gaz de l'art antérieur sus-mentionnés. Plus particulièrement, l'invention vise à proposer un système de compression dont le rendement énergétique, c'est-à-dire la consommation en gaz moteur, est optimisé et dont la durée de vie est accrue. À cette fin, la présente invention concerne un système de compression à gaz comprenant un compresseur muni d'au moins un premier cylindre et un second cylindre associés de telle sorte qu'un gaz à comprimer admis à une pression d'admission dans le premier cylindre soit comprimé par l'admission d'un gaz moteur dans le second cylindre, ledit système comprenant des moyens de contrôle de la pression du gaz moteur lors de son introduction dans le second cylindre, caractérisé en ce que les moyens de contrôle comprennent: - un détecteur de pression pour mesurer la pression du gaz à compri- mer lors de son admission dans le premier cylindre, et - un régulateur pour ajuster le débit de gaz moteur dans le second cylindre de telle sorte que la pression du gaz à comprimer soit mainte-nue à une pression constante lors de son admission dans le premier cylindre. Grâce à l'invention, la pression dans le réservoir tampon contenant le gaz à comprimer est maintenue constante lors de son admission dans le premier cylindre de sorte que le débit de gaz entrainé par le compresseur soit égal au débit de gaz produit à la source. Par conséquent, les déplace- ments du piston de transmission de pression sont constants à une fréquence minimale. Plus particulièrement, une fréquence de déplacement minimale du piston du compresseur confère au compresseur une durée de vie plus élevée et une consommation du gaz moteur minimale puisque le piston ce dé- place plus lentement. Le système selon l'invention peut également présenter une ou plu-sieurs des caractéristiques ci-dessous, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles. Selon une réalisation avantageuse, le système comporte une source de gaz à comprimer située en amont du premier cylindre, les moyens de contrôle comprenant des moyens pour maintenir la pression constante du gaz à comprimer en entrée du premier cylindre à une pression égale à la pression de production de la source du gaz à comprimer. Une pression en entrée du premier cylindre maximale (i.e. égale à la pression de la source de gaz à comprimer) est particulièrement avantageuse car il apparaît que la quantité de gaz moteur requise pour comprimer un gaz décroit lorsque la pression du gaz à comprimer s'accroît, comme représenté à la figure 3 qui illustre la variation de pression (axe des abscisses 300, en bars) d'un gaz comprimé en sortie d'un compresseur en fonction du débit (axe des ordonnées 302, en nl/min) de gaz à comprimer en entrée du compresseur - pour une même pression du gaz moteur (6,2 bars) et pour différentes pressions du gaz à comprimer, à savoir: 6 bars (courbe 304), 9 bars (courbe 306), 12 bars (courbe 308), et 15,9 bars (courbe 310). En considérant par exemple un débit de 42 nl/min de gaz comprimé, la consommation de gaz moteur - représenté dans des carrés en Nm3/min - est pratiquement accrue de 500/0 entre une alimentation en gaz à comprimer à 9 bars (1,5 Nm3/min) et une alimentation en gaz à comprimer à 12 bars (1,15 Nm3/min). Il apparaît que la réduction de la consommation du gaz moteur améliore le rendement énergétique du compresseur, mesuré par un taux de compression représentatif de l'énergie transmise par le gaz moteur vers le gaz à comprimer. Typiquement, ce rendement de compression peut être défini dans un cycle de compression comme le rapport entre, d'une part, l'énergie fournie au gaz à comprimer par le compresseur et, d'autre part, l'énergie fournie au compresseur par le gaz moteur. En outre, lorsque le gaz à comprimer est maintenu, en entrée du compresseur, à une pression constante égale à la pression de production, les déplacements du piston de transmission de pression sont moindres en fréquence. Ainsi, la durée de vie du compresseur est accrue et la consommation du gaz moteur est minimale. Selon une réalisation, les moyens de contrôle comprennent un réser- voir tampon de gaz à comprimer, situé en aval de la source du gaz à comprimer et en amont du premier cylindre, la pression du gaz à comprimer étant constante dans ledit réservoir tampon. Pour maintenir une pression de gaz à comprimer constante dans le réservoir tampon, on ajuste la pression du gaz moteur. Dans une réalisation, le réservoir tampon est formé par des conduits de distribution du gaz à comprimer, la pression du gaz à comprimer étant constante dans une section desdits conduits de distribution. Selon une réalisation, le détecteur de pression est associé à une sonde située dans le réservoir tampon. Dans une réalisation, le système comprend des moyens pour maintenir une pression du gaz à comprimer en entrée du premier cylindre comprise préférentiellement entre 5 et 30 bars. Selon une réalisation, la source du gaz à comprimer comprend un générateur de gaz. L'invention concerne également un procédé de compression à gaz mettant en oeuvre un système conforme à l'une des réalisations précé- dentes, ce système comprenant un premier cylindre et un second cylindre associés de telle sorte qu'un gaz à comprimer admis à une pression d'admission dans le premier cylindre soit comprimé par l'admission d'un gaz moteur dans le second cylindre, ledit système comprenant des moyens de contrôle de la pression du gaz moteur lors de son introduction dans le se- cond cylindre, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes: - l'étape pour un détecteur de pression de mesurer la pression du gaz à comprimer lors de son admission dans le premier cylindre, et - l'étape pour un régulateur d'ajuster le débit de gaz moteur dans le second cylindre de telle sorte que la pression du gaz à comprimer soit constante lors de son admission dans le premier cylindre. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lumière de la description ci-dessous, effectuée à titre illustrative et non limi- tatif, en référence aux figures ci-jointes sur lesquelles : - à la figure 1, déjà décrite, est représenté schématiquement le fonc- tionnement d'un compresseur à gaz connu, - à la figure 2, déjà décrite, est représenté schématiquement le fonctionnement d'un système connu muni du compresseur décrit à la figure 1, - à la figure 3 est illustrée la variation de consommation d'un gaz moteur en fonction de la pression et du débit de gaz comprimé dans un compresseur tel que décrit à la figure 1, - à la figure 4 est représenté schématiquement le fonctionnement d'un système conforme à l'invention et, - à la figure 5 est représentée une comparaison des rendements d'un système connu vis-à-vis d'un système conforme à l'invention en fonction du taux de compression du système. En référence à la figure 4 est représenté un système 400 de corn- pression à gaz conforme à l'invention, à savoir muni d'un compresseur 402 comprenant un premier cylindre et un second cylindre - non représentés - associés de telle sorte qu'un gaz 404 à comprimer admis à une pression d'admission dans le premier cylindre soit comprimé par l'admission d'un gaz moteur 406 dans le second cylindre, ledit système 400 comprenant des moyens 408 de contrôle de la pression du gaz moteur 406 lors de son intro- duction dans le second cylindre. Les moyens 408 de contrôle comprennent: - un détecteur 410 de pression pour mesurer la pression du gaz 404 à comprimer lors de son admission dans le premier cylindre, et - un régulateur 412 pour ajuster le débit de gaz moteur 406 dans le second cylindre de telle sorte que la pression du gaz 404 à comprimer soit maintenue à une pression constante lors de son admission dans le compresseur 402. Dans cette réalisation, la source du gaz 414 à comprimer comprend un générateur de gaz, par exemple un réacteur chimique (non représenté) qui met en oeuvre, par exemple, une réaction d'électrolyse produisant de l'hydrogène comme décrit par 0ystein Ulleberg, Torgeir Nakken et Arnaud Eté dans leur publication « The wind/hydrogen demonstration system at Ut- sira in Norway: Evaluation of system performance using operational data and updated hydrogen energy system modeling tools », publié le 15 Janvier 2010 dans International Journal of Hydrogen energy 35, pages 1841- 1852. En outre les moyens 408 de contrôle maintiennent la pression du gaz 404 à comprimer constante et égale à la pression de production de la source 414 de gaz à comprimer en entrée du premier cylindre du compresseur 402. A cet effet les moyens 408 de contrôle comprennent un réservoir tampon 416 de gaz à comprimer, situé en aval de la source 414 du gaz à comprimer et en amont du compresseur 402, la pression du gaz 404 à comprimer étant constante dans ledit réservoir tampon 416. Dans d'autres variantes non représentées, le réservoir tampon 416 peut être formé par des conduits de distribution du gaz à comprimer, la pression du gaz à comprimer étant constante dans une section desdits con- duits de distribution reliée au compresseur 402. Dans tous les cas, une sonde 418, située dans le réservoir tampon 416, est reliée au détecteur 410 de pression, ce qui permet à ce dernier de déterminer la pression du gaz 404 en entrée du compresseur et d'informer le contrôleur 412 afin que ce dernier modifie le débit de gaz moteur 406, via une commande 420 sur son réseau de distribution, telle que la pression du gaz 404 à comprimer en entrée du compresseur 402 soit maintenue cons-tante et égale à la pression de production de la source 414 de gaz à comprimer. Typiquement, le système 408 permet de maintenir un débit minimal de consommation de gaz moteur juste nécessaire à la compression du dé-bit de production fourni par la source 414. Comme représenté sur la figure 5, le rendement 500 d'un système de compression à gaz en fonction du taux de compression 502 égale au rap- port entre la pression de sortie du gaz comprimé et la pression du gaz à comprimer à l'entrée du compresseur mis en oeuvre s'accroît significative-ment en comparant un système de compression à gaz selon l'art antérieur - courbe 504 - avec un système de compression à gaz selon l'invention - courbe 506. Dans cet exemple, le rendement 17c.,,H2 du système est défini en fonction de la pression d'entrée Pe,H2, respectivement de sortie PS,H2, du gaz à comprimer - de l'hydrogène (H2) - et de son débit nH2 à travers le compres- seur. Considérant par ailleurs que le débit du gaz moteur - de l'air - vair s'effectue avec une pression d'entrée Pe,air, respectivement de sortie Ps,air, égale à 1 atmosphère par défaut, le rendement du système 17comp,H2 est: 'Icomp,H 2 P,H2 / / nH2 n air Pcompresseur,air / y-1 où pcompresseur,air, est le rendement du compresseur ayant fourni l'air comprimé et y représente le rapport isentropique du gaz (y égal 1.4 pour un gaz diatomique : H2, 02, N2 ....) La présente invention est susceptible de nombreuses variantes, no- tamment relatives à la mise en oeuvre de différents types de compresseurs - surpresseurs, ou tout autre dispositif, muni d'un nombre variable de cylindres permettant d'accroître la pression d'un gaz par transmission d'énergie à partir d'un autre gaz comprimé - du gaz moteur - typiquement de l'azote ou de l'air - et du gaz comprimé. D'une manière générale, la présente invention concerne tous les systèmes de production de gaz dont la pression de stockage en sortie de traitement est supérieure à la pression de production, typiquement la production d'hydrogène (H2) et d'oxygène (02) par électrolyse de l'eau avec une source d'énergie intermittente telle que de l'énergie solaire ou éolienne. Pour que le système de l'invention fonctionne de façon optimale, il est nécessaire que la pression du gaz à comprimer en entrée du premier cylindre soit constante. En outre, plus cette pression est élevée et plus la con-sommation du compresseur en gaz moteur est réduite. Ainsi, grâce au système de l'invention il est possible de maintenir une pression de gaz à corn- primer en entrée du premier cylindre constante et égale (c'est-à-dire maxi-male) à la pression de production de la source de gaz à comprimer (c'est-à-dire la pression du générateur de gaz de la source). Il convient de noter que la pression maximale en entrée de compresseur dépend notamment du type de source de gaz à comprimer utilisé et plus particulièrement du type de générateur de gaz à comprimer utilisé (électrolyseur HOGENTM série S de la société « Proton Energy System » (14.8 bars), électrolyseur HOGENTM série H de la société « Proton Energy System » (30 bars), électrolyseur HySTATTM-60 de la société Hydrogenics (10 bars), électrolyseur GENHY 5000 de la société CETH (10 bars), électrolyseur GENHY 100 de la société CETH (7 bars), ....). Un intérêt significatif de l'invention est qu'elle propose une solution qui minimise la consommation énergétique de l'équipement servant à comprimer le gaz moteur injecté dans le « surpresseur » ou compresseur, c'est-à-dire qu'elle améliore le rendement énergétique global du système de compression, notamment aux faibles taux de compression. De plus, cette méthode permet d'optimiser la durée de vie du « sur- presseur » ou compresseur en imposant une vitesse de battement minimale ajustée pour répondre au débit de production de la source de gaz à comprimer. Le système de compression à gaz selon l'invention trouve une application particulièrement intéressante dans le domaine de la production d'hydrogène et d'oxygène par électrolyse de l'eau. REVENDICATIONS1. Système (400) de compression à gaz comprenant un compresseur (402) muni d'au moins un premier cylindre et un second cylindre associés de telle sorte qu'un gaz (404) à comprimer admis à une pression d'admission dans le premier cylindre soit comprimé par l'admission d'un gaz moteur (406) dans le second cylindre, ledit système (400) comprenant des moyens (408) de contrôle de la pression du gaz moteur (406) lors de son introduction dans le second cylindre, caractérisé en ce que les moyens (408) de contrôle comprennent: un détecteur (410) de pression pour mesurer la pression du gaz (404) à comprimer lors de son admission dans le premier cylindre, et un régulateur (412) pour ajuster le débit de gaz moteur (406) dans le second cylindre de telle sorte que la pression du gaz à comprimer (404) soit constante lors de son admission dans le premier cylindre. 2. Système (400) selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comporte une source de gaz à comprimer (414) située en amont du premier cylindre. 3. Système (400) selon la revendication précédente caractérisé en ce que la source (414) du gaz à comprimer comprend un générateur de gaz. 4. Système (400) selon l'une des revendications 2 ou 3 caractérisé en ce que les moyens (408) de contrôle comprenant des moyens pour maintenir la pression constante du gaz (404) à comprimer en entrée du premier cylindre à une pression égale à la pression de production de la source (414) du gaz à comprimer. 5. Système (400) selon l'une des revendications 2 à 4 caractérisé en ce que les moyens (408) de contrôle comprennent un réservoir tampon (416) de gaz à comprimer, situé en aval de ladite source (414) du gaz à comprimer et en amont du premier cylindre, la pression du gaz (404) à comprimer étant constante dans ledit réservoir tampon (416). 6. Système (400) selon la revendication 5 caractérisé en ce que le réservoir tampon (416) est formé par des conduits de distribution du gaz à comprimer, la pression du gaz (404) à comprimer étant cons- tante dans une section desdits conduits de distribution. 7. Système (400) selon la revendication 5 ou 6 caractérisé en ce que le détecteur (410) de pression est associé à une sonde (418) située dans le réservoir tampon (416). 8. Procédé de compression à gaz mettant en oeuvre un système (400) conforme à l'une des revendications précédentes, ce système comprenant un compresseur (402) muni d'au moins un premier cylindre et un second cylindre associés de telle sorte qu'un gaz (404) à compri- mer admis à une pression d'admission dans le premier cylindre soit comprimé par l'admission d'un gaz moteur (406) dans le second cylindre, ledit système (400) comprenant des moyens (408) de contrôle de la pression du gaz moteur (406) lors de son introduction dans le second cylindre, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes sui- vantes: l'étape pour un détecteur (410) de pression de mesurer la pression du gaz (404) à comprimer lors de son admission dans le premier cylindre, et l'étape pour un régulateur (412) d'ajuster le débit de gaz moteur (406) dans le second cylindre de telle sorte que la pression du gaz à comprimer (404) soit constante lors de son admission dans le premier cylindre.