Brevet FR2987106A1 — publié le 20130823

Domaine de l'invention La présente invention se rapporte à un procédé de compression d'un milieu cryogène. Etat de la technique Selon l'état de la technique on connaît des procédés de compression de milieu cryogène tels que par exemple de l'hydrogène, de l'oxygène, de l'azote ou de l'argon. L'expression « milieu cryogène » désigne habituellement un gaz liquéfié à basse température et qui a une température relative- ment basse. De l'hydrogène cryogène est en général à une température comprise entre -253°C et -245°C. Les procédés de compression de milieu cryogène de type défini ci-dessus s'utilise par exemple pour le remplissage et le transvasement de réservoir. C'est ainsi que par exemple lorsqu'on remplit des réservoirs d'hydrogène, équipement des véhicules, on utilise plusieurs procédés de remplissage : Procédé d'équilibrage de pression : à partir d'un système d'alimentation (il peut s'agir d'un réservoir fixe ou d'un pipeline) à l'aide d'un compresseur ou d'une pompe cryogénique, on remplit plusieurs réservoirs-tampons de gaz à des niveaux de pression différents. A partir des réservoirs-tampons de gaz, en cas de remplissage du réservoir du véhicule par compensation ou équilibrage de pression, on remplit l'hydrogène comprimé dans le réservoir du véhicule jusqu'à atteindre la pression finale de remplissage du réservoir. Procédé d'amplification : Dans ce cas, à partir d'un système d'alimentation et par un compresseur, on comprime l'hydrogène en fournissant une puissance importante et on remplit directement le réservoir du véhicule. Les combinaisons du procédé d'équilibrage de pression et du procédé d'amplification : Dans ce cas, on effectue d'abord un remplissage partiel du réservoir du véhicule à partir de réservoirs-tampons de gaz par équilibrage de pression avec le procédé d'amplification on remplit la pression finale. Il existe également des procédés de remplissage selon lesquels on comprime l'hydrogène par compression cryogène à 700 barres en compensant la température au maximum jusqu'à 875 barres ; le gaz qui se dégage par ébullition lors de la compression cryogène est fourni au réservoir du véhicule au cours de la première étape de rem- plissage de réservoir. La compression cryogène de l'hydrogène à l'état gazeux sur-critique, liquéfié se fait à des températures d'entrée comprises entre -253°C et -245°C. La compression du gaz dégagé par ébullition lors de la compression cryogène nécessite un compresseur dit de « gaz chaud » à l'aide duquel le gaz qui est à des températures infé- rieures à la température ambiante (il s'agit ici d'une plage de températures comprises entre -20°C et 40°C) sera comprimé. De tels compresseurs de gaz chauds sont toutefois relativement couteux. De plus, à cause des conditions de compression requises, il faut des sys- tèmes de compression à au moins deux jusqu'à trois étages mais qui néanmoins fonctionnent mal du point de vue énergétique. De plus, avant d'alimenter le compresseur de gaz chauds, l'hydrogène doit être réchauffé à l'aide d'un évaporateur d'air à température ambiante de sorte qu'il perd l'avantage d'une densité élevée de gaz cryogène. Les sys- tèmes de compression cryogènes utilisés pour comprimer les gaz déga- gés à un niveau de pression requis allant de 400 à 500 bars n'existent pas actuellement. Les pressions de 400 à 500 bars sont néanmoins nécessaires pour utiliser le gaz dégagé pour le remplissage du réservoir du véhicule selon les techniques de remplissage actuelles ; les pressions finales de remplissage du réservoir se situent dans ces conditions à des niveaux compris entre 700 et 800 bars. But de l'invention La présente invention a pour but de développer un pro- cédé de compression d'un milieu cryogène notamment d'hydrogène re- médiant aux inconvénients des solutions connues. Exposé et avantages de l'invention A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de com- pression d'un milieu cryogène caractérisé en ce qu'on comprime le milieu cryogène dans deux étapes de compression en partant d'une pression initiale à une pression finale en passant par une pression in- termédiaire et la première étape de compression est effectuée comme étape de compression cryogène. L'expression « étage de compression cryogène ou com- pression cryogène » utilisé dans la suite est un procédé de compression qui fait passer un milieu liquide cryogène en un gaz sur-critique com- primé et selon lequel la température d'entrée du milieu cryogène est inférieure à -70°C. La compression cryogène d'hydrogène liquide ou autres gaz liquéfiés à basse température se fait habituellement à l'aide de pompe à piston cryogène. Le milieu cryogène à comprimer arrive dans le piston comme liquide et est refoulé comme un gaz sur-critique. Selon l'invention, le milieu cryogène est comprimé en deux étapes de compression pour passer de la pression initiale à la pression finale avec une pression intermédiaire, le premier étage de compression étant réalisé comme étage de compression cryogène. Le milieu cryogène dont la pression initiale est comprise entre 1 et 3 barres est comprimé dans l'étage de compression cryogène de préférence à une pression comprise entre 30 et 70 bars. Le procédé selon l'invention de compression d'un milieu cryogène est réalisé avantageusement dans un compresseur combiné dont le premier étage de compression cryogène comprime le milieu cryogène à partir de la pression initiale jusqu'à la pression intermédiaire souhaitée. Pour cette compression cryogène, on utilise notamment le fait que le milieu à comprimer est disponible sous une pression élevé et que le cylindre de compression peut être dimensionné relative- ment petit pour cette raison. Il en résulte que la force motrice néces- saire pour la compression est faible ce qui correspond à un procédé de compression avantageux du point de vue du bilan énergétique. Dans la première étape de compression on met le milieu à une température plus élevée de sorte que dans le second étage de compression il est comprimé à la pression finale par un procédé de compression à chaud. Grâce à la pré-compression dans l'étage de compression cryogène, on peut également avoir une chambre de compression relativement petite pour la seconde compression. Le procédé selon l'invention de compression d'un milieu cryogène est, en outre, développé en ce que les deux étages de compres- sion sont réalisés dans des compresseurs à pistons et entraînés par un moyen d'entraînement commun. Le moyen d'entraînement commun est par exemple le moteur électrique avec une double transmission pour l'entraînement des deux étages de compression. En outre, selon un développement avantageux du procé- dé de l'invention pour comprimé un milieu cryogène, pour chaque étage de compression, on utilise un compresseur mono-piston et on fait fonctionner les deux compresseurs mono-pistons avantageusement en opposition. Dans le cas d'une conception optimale des conditions de compression dans les deux compresseurs mono-pistons ou étage de compression on peut les faire fonctionner en opposition à l'aide d'un entraînement commun. Un piston comprime alors tout d'abord le milieu cryogène dans le premier étage de compression. En même temps, le pis- ton du second étage est dans sa course de retour et aspire le milieu pré- comprimé du premier étage de compression. Lorsque le second étage comprime, le premier étage de compression est en course de retour et aspire du nouveau milieu cryogène. Dessin Le procédé selon l'invention de compression d'un milieu cryogène sera décrit, ci-après, à l'aide d'un exemple de réalisation d'installation représenté dans l'unique figure. Description Le dispositif de pompe représenté à la figure se compose de deux compresseurs mono-pistons ayant chacun une chambre de compression V1, V2, un piston Kl, K2 entraîné par une tige de piston ainsi qu'une chambre de travail Al, A2 nécessaire à l'entraînement des pistons. Les deux chambres de compression V1, V2 comportent chacune une soupape d'aspiration (a), (c) ainsi qu'une soupape d'échappement (b), (d). Le milieu à comprimer arrive dans le premier étage de compression ou la première chambre de compression V1 par une conduite 1. Il s'agit d'une conduite spécialement isolée, de préférence à isolation sous-vide réduisant au minimum l'incidence thermique gênante dans le milieu à compresser. Le milieu à compresser circule avantageu- sement lorsque la vanne de sortie (a) est ouverte dans la chambre de compression V 1. Le milieu entrant est habituellement une pression comprise entre 1 et 3 barres. Dans la chambre de compression V1 il y a compression cryogène à une pression compression comprise entre 30 et 70 barres. Ensuite le milieu comprimé est refoulé dans un réservoir de compensation 2 installé entre les deux chambres de compression V1 et V2 lorsque la vanne de sortie (b) est ouverte. A partir du réservoir de compensation 2, lorsque la vanne d'aspiration (c) est ouverte, le fluide passe dans le second étage de compression V2 qui effectue une com- pression jusqu'à une pression finale. Lorsque la soupape de sortie (d) est ouverte, le milieu comprimé à la pression finale est évacué par une conduite 3 (conduite haute pression). La figure montre le moment où le piston K1 de la chambre de compression V1 est au point mort haut et ainsi à la fin de la course d'aspiration alors que le piston K2 de la chambre de compres- sion V2 est à son point mort bas qui termine ainsi la course de compression. L'entraînement des deux pistons K1, K2 fonctionnant en opposition est fait par une pompe hydraulique P qui transfert par les conduites 4-7 le liquide hydraulique qui se trouve dans les chambres actives Al, A2 par les conduites 4-7 ; cela se traduit par un mouvement ascendant et descendant des pistons K1, K2. A la place de la pompe hydraulique P évoqué ci-dessus, on peut par exemple également utiliser un moteur électrique avec une transmission double fonctionnant en sens opposé. Le procédé selon l'invention de compression un milieu cryogène présente un grand nombre d'avantages vis-à-vis du procédé de compression connu selon l'état de la technique à savoir : - Une compression énergétique et avantageuse du point de vue de l'installation car il ne faut que des chambres de compression relati- vement petites et ainsi une puissance d'entraînement élevée. - Contrairement à la compression par gaz chauds décrite initialement, il faut un préchauffage du milieu cryogène ; de plus, il est inutile d'avoir un radiateur intermédiaire entre les deux étages de compres- sion. - On réalise des pressions finales très élevées pour des puissances fournies significatives. - Malgré deux systèmes de compression différents (« cryogène » et « chaud ») la conception optimale ne nécessite qu'un unique système d'entraînement. - Sur le plan de l'encombrement de la complexité et de l'efficacité énergétique, le procédé selon l'invention de compression d'un milieu cryogène représente une amélioration significative vis-à-vis des procédés de compression de l'état de la technique. 15 NOMENCLATURE 1 Conduite 2 Réservoir de compensation - d'équilibrage 3 Conduite haute pression 4-7 Conduite de liquide hydraulique (a), (c) Soupape d'aspiration (b), (d) Soupape d'échappement Al, A2 Chambre de travail P Pompe hydraulique Kl, K2 Piston V1, V2 Chambre de compression15 REVENDICATIONS1°) Procédé de compression d'un milieu cryogène, caractérisé en ce qu' on comprime le milieu cryogène dans deux étapes de compression en partant d'une pression initiale à une pression finale en passant par une pression intermédiaire, et - la première étape de compression est effectuée comme étape de compression cryogène. 2°) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que dans la première étape de compression, le milieu cryogène est comprimé à une pression comprise entre 30 et 70 bars. 3°) Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu' on réalise les deux étapes de compression dans des compresseurs à piston et on entraîne ces compresseurs à piston par un moyen d'entraînement commun. 4°) Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que par étage de compression, on utilise un compresseur mono-piston, procédé caractérisé en ce qu'on fait fonctionner les deux compresseurs mono-pistons en opposition. 5°) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le milieu cryogène est de l'hydrogène, de l'oxygène, de l'azote ou de l'argon.