Brevet FR3005135A1 — publié le 20141031

La présente invention concerne un procédé de ravitaillement en liquide cryogénique, notamment en gaz naturel liquéfié, ainsi qu'un dispositif pour la mise en oeuvre d'un tel procédé. Certains véhicules, le plus souvent des camions mais aussi par exemple des navires, utilisent du gaz naturel liquéfié comme carburant. Il convient de prévoir pour ces véhicules des stations de ravitaillement pour pouvoir "faire le plein" comme on le fait classiquement avec un véhicule fonctionnant à l'essence ou au gazole. Cependant, pour remplir un réservoir avec du gaz naturel liquéfié (ou GNL), plusieurs contraintes existent, contraintes que l'on ne rencontre pas dans les stations-essence. Il est prévu sur (tous) les véhicules au GNL d'avoir un réservoir sous pression. Le remplissage ne peut donc pas se faire à pression ambiante. En outre, le GNL n'est pas à température ambiante et doit être distribué à basse température. Il est fait référence au préambule du document WO-2011/152965 pour la présentation de l'art antérieur concernant le ravitaillement en GNL de véhicules (§[0003] à §[0007]). Ce document WO-2011/152965 est considéré ici comme le document de l'art antérieur le plus proche de la présente invention. Il présente un procédé et un appareil de distribution de GNL permettant à partir d'un réservoir de stockage de fournir du gaz à des conditions de température et de pression spécifiées. Le procédé décrit prévoit des étapes de pressurisation d'une enceinte (appelée cuve de conditionnement dans ce document) de GNL à une première pression, puis d'acheminement du GNL à une seconde pression supérieure à la première pression vers un condenseur qui est dans une relation de transmission de chaleur avec l'enceinte, et enfin d'extraction du GNL du condenseur. Le procédé et le dispositif décrits dans ce document permettent de fournir de façon satisfaisante du GNL à une pression et une température 30 prédéterminées. Le problème à l'origine de la présente invention provient du fait que tous les véhicules ne requièrent pas une même pression et une même température de ravitaillement en GNL. Avec un dispositif décrit dans le document WO-2011/152965 il est possible de faire varier la pression (et la température) de ravitaillement mais pour passer d'une pression (et sa température associée) à une autre, le temps nécessaire peut être relativement long, de l'ordre d'une heure ou plus. De ce fait, il faut prévoir par exemple de ravitailler un jour des véhicules avec une pression de ravitaillement et à une pression autre le lendemain. Il apparaît bien entendu à l'homme du métier que de telles conditions de ravitaillement manquent de souplesse car un véhicule doit pouvoir être ravitaillé rapidement et de préférence on souhaite ravitailler les véhicules dans leur ordre d'arrivée à la station de ravitaillement. La présente invention a alors pour but de fournir un procédé (et au moins un dispositif correspondant) permettant de délivrer du GNL, ou plus généralement du liquide cryogénique, à des conditions de température et de pression données et de changer rapidement ces conditions de manière à pouvoir ravitailler un véhicule nécessitant de faire le plein à une seconde pression suite à un ravitaillement d'un véhicule nécessitant un remplissage de son réservoir à une autre pression sans avoir à attendre longtemps. De préférence, le procédé selon la présente invention sera économique sur le plan énergétique. À cet effet, la présente invention propose un procédé de ravitaillement en liquide cryogénique à partir d'un réservoir de stockage comportant les étapes suivantes : - pressuriser une enceinte avec du gaz cryogénique à une première pression, ladite enceinte étant traversée par une première ligne de circulation de fluide cryogénique dite ligne froide et une seconde ligne de circulation de fluide cryogénique dite ligne chaude, et - faire passer à travers la ligne froide un liquide cryogénique à une seconde pression. Selon la présente invention, de manière originale, il est prévu que l'enceinte est alimentée en gaz cryogénique au moins partiellement à partir de liquide cryogénique pompé dans le réservoir de stockage et vaporisé. Alors que dans les dispositifs connus de l'art antérieur le gaz cryogénique utilisé pour alimenter la ligne chaude et le mettre sous pression l'enceinte provenait de la partie du réservoir de stockage contenant du fluide à l'état gazeux (partie supérieure du réservoir), il est proposé ici de prélever dans le réservoir de stockage du liquide cryogénique, de le faire passer à l'état gazeux et d'utiliser le gaz cryogénique ainsi obtenu pour pressuriser l'enceinte. II est ainsi possible de décorréler entièrement la pression à l'intérieur du réservoir de stockage de la température à laquelle le fluide cryogénique est délivré en sortie de dispositif de ravitaillement. Lors de la mise en oeuvre d'un procédé selon la présente invention, le liquide cryogénique à pression souhaitée et à température souhaitée est délivré à la sortie de la ligne froide traversant l'enceinte. La présente invention permet d'avoir des pressions plus élevées dans l'enceinte que dans les procédés de l'art antérieur. De ce fait, une plus grande plage de pressions peut être utilisée et la plage des températures de délivrance de liquide cryogénique est elle aussi plus grande. Pour réaliser le contrôle de la température de sortie du liquide cryogénique, le procédé de ravitaillement selon l'invention comporte avantageusement une étape de régulation de pression après vaporisation du liquide cryogénique et avant son introduction dans l'enceinte. Pour qu'une seule pompe suffise pour la mise en oeuvre du procédé, on prévoit avantageusement que du liquide cryogénique est pompé hors du réservoir de stockage, et que le liquide pompé est utilisé, d'une part, pour l'alimentation de la ligne froide et, d'autre part, pour être vaporisé avant d'être conduit vers l'enceinte. Pour pressuriser l'enceinte, il est avantageusement prévu qu'en outre du liquide cryogénique condensé au sein de l'enceinte soit revaporisé avant d'être réintroduit dans ladite enceinte. Il y a alors deux sources d'alimentation en gaz cryogénique pour l'enceinte pressurisée et cela permet de limiter le prélèvement de liquide cryogénique pour la pressurisation. La présente invention est particulièrement bien adaptée dans le cas où le liquide cryogénique est du gaz naturel liquéfié et où le gaz cryogénique est du gaz naturel à l'état gazeux. Toutefois, d'autres liquides cryogéniques (azote, air, argon, hydrogène, etc.) sont tout à fait compatibles avec la présente invention. La présente invention concerne également un dispositif de ravitaillement en liquide cryogénique comportant un réservoir de stockage, une enceinte pressurisée traversée par une première ligne dite ligne froide avec une entrée alimentée en liquide cryogénique en provenance du réservoir de stockage et une sortie de liquide cryogénique ainsi que par une seconde ligne dite ligne chaude alimentée par des moyens d'alimentation en gaz cryogénique sous pression pour la pressurisation de l'enceinte. Selon la présente invention, dans un tel dispositif de ravitaillement les moyens d'alimentation de l'enceinte avec du gaz cryogénique sous pression 10 comportent une alimentation en liquide cryogénique en provenance du réservoir de stockage ainsi que des moyens de vaporisation. Pour réaliser une régulation de la température en sortie, il est proposé d'avoir des moyens de régulation de pression entre les moyens de vaporisation et l'enceinte pressurisée. 15 Afin de pouvoir économiser du fluide cryogénique, le dispositif comporte avantageusement une boucle avec un échangeur thermique, ladite boucle comportant une ligne d'alimentation de l'échangeur thermique à partir de l'enceinte pressurisée permettant de prélever, de préférence par gravité, du gaz cryogénique condensé sous forme liquide au sein de l'enceinte pressurisée 20 et une ligne de retour reliant la sortie de l'échangeur thermique à l'enceinte pressurisée permettant de réintroduire du gaz cryogénique dans la ligne chaude vers l'enceinte pressurisée. La boucle ainsi créée permet un "recyclage" du gaz cryogénique condensé sous forme liquide dans l'enceinte pressurisée et permet ainsi d'économiser du liquide cryogénique en 25 provenance du réservoir. Il est également possible de réaliser une régulation en pression au niveau de l'enceinte pressurisée en reliant la boucle avec le réservoir de stockage par une ligne comportant une vanne. Cette ligne peut être reliée à la boucle en amont ou en aval de l'échangeur thermique. Une forme de réalisation préférée du dispositif de ravitaillement selon 30 l'invention prévoit que ce dispositif comporte une pompe destinée à prélever du liquide cryogénique dans le réservoir de stockage et à amener le liquide cryogénique prélevé à une pression supérieure à la pression du liquide dans le réservoir de stockage. Pour n'avoir qu'une seule pompe, en aval de la pompe une troisième ligne alimente la ligne froide et une quatrième ligne dérivée de la troisième alimente les moyens de vaporisation disposés en amont de l'enceinte. Avantageusement, le dispositif de ravitaillement selon l'invention comporte en outre une ligne de livraison de liquide cryogénique permettant la délivrance de liquide cryogénique directement du réservoir de stockage. Des détails et avantages de la présente invention apparaitront mieux de la description qui suit, faite en référence au dessin schématique annexé sur lequel : La figure unique est une vue schématique illustrant une forme de réalisation préférée d'un dispositif de ravitaillement selon la présente invention. Cette figure illustre une station de ravitaillement en gaz naturel liquéfié, ou GNL. Bien entendu, la même station, ou légèrement adaptée, pourrait aussi être utilisée pour la distribution d'autres fluides cryogéniques, comme par exemple de l'azote, de l'oxygène, de l'air, de l'argon, de l'éthylène, de l'hydrogène ou bien un mélange de certains de ces fluides. La station de ravitaillement représentée est plus particulièrement destinée à remplir des réservoirs de véhicules de tous types, aussi bien des véhicules terrestres (camions notamment) mais aussi des navires et éventuellement des aéronefs. Le but d'une telle station de ravitaillement est de fournir du gaz naturel liquéfié à des véhicules dans des conditions de pression et de température spécifiques à chaque véhicule à partir d'un réservoir de stockage 2. Le réservoir de stockage 2 contient du gaz naturel liquéfié ainsi que du gaz naturel à l'état gazeux au-dessus du gaz naturel à l'état liquide. La pression qui règne dans le réservoir de stockage 2 est appelée par la suite P1. Les moyens pour contrôler et maintenir la pression dans le réservoir de stockage 2 sont connus de l'homme du métier et ne sont pas décrits ici. Des variations de pression dans le réservoir de stockage 2 sont admises dans des limites gérées par les moyens de contrôle et de maintien évoqués. Typiquement, la pression P1 est comprise entre 2 et 10 bars (soit entre 2.105 Pa et 106 Pa), par exemple environ 6 bars (6.105 Pa). Une pompe 4 cryogénique est prévue pour prélever du GNL hors du réservoir de stockage par une conduite 6. La pompe 4 permet d'amener le liquide du réservoir à une pression P2 supérieure à la pression P1. La pompe 4 est telle que la pression P2 est ajustable en fonction des besoins explicités plus loin. Le GNL pompé par la pompe 4 est envoyé dans une conduite 8 qui se subdivise ensuite en trois branches décrites ci-après. Une première branche 10 conduit le GNL en sortie de la pompe 4 vers une première ligne, appelée par la suite ligne froide 12 qui traverse ensuite une enceinte 14 pressurisée. Cette enceinte 14 est en outre traversée par une seconde ligne appelée par la suite ligne chaude. Sur la figure 1, la ligne froide 12 s'étend horizontalement tandis que la ligne chaude s'étend verticalement. Cette ligne chaude réalise en fait l'alimentation en gaz sous pression de l'enceinte 14 pressurisée servant d'enveloppe ou de "peau" à la ligne froide 12. En aval, elle permet l'évacuation de liquide condensé au sein de ladite enceinte. Dans une forme de réalisation préférée, la ligne froide 12 et l'enceinte 14 forment tous deux un seul et même composant. Cet ensemble forme un échangeur de chaleur entre le fluide (liquide) destiné à circuler dans la ligne froide et le fluide (gazeux en amont) destiné à circuler dans la ligne chaude. Cet ensemble, dans la présente application, permet de réguler la température du liquide circulant dans la ligne froide et forme un condenseur dans lequel une partie du gaz alimenté par la ligne chaude se condense. Une vanne V1 permet de réguler le débit de GNL dans la première branche 10. En sortie de la ligne froide 12, le gaz naturel liquéfié est conduit par une conduite, dite ligne principale 16, pour alimenter un véhicule en carburant (GNL) dans les conditions de température et de pression requises par ce véhicule (non représenté). Une deuxième branche 18, à l'intérieur de laquelle le débit est régulé par une vanne V2 disposée en amont de la branche, conduit du gaz naturel liquéfié pompé par la pompe 4 vers un premier évaporateur 20. Un régulateur 22 associé à une vanne V3 permet de réguler la pression du gaz naturel à l'état gazeux en sortie du premier évaporateur pour alimenter l'enceinte 14. On suppose que la pression de régulation au niveau du régulateur 22 est sensiblement la pression régnant dans l'enceinte 14. Cette pression est appelée P3 par la suite. Une troisième branche 24 est prévue pour délivrer directement du gaz naturel liquéfié dans les conditions dans lesquelles il se trouve dans le réservoir de stockage 2. Cette branche comporte uniquement une vanne V4 permettant la régulation de son débit. Le liquide délivré par la troisième branche 24 peut être aussi amené à une pression P2 (supérieure à la pression P1 du GNL dans le réservoir de stockage 2) par la pompe 4. Dans ce dernier cas, le GNL est délivré sous-refroidi à une pression P2 à une température T2 inférieure à la température de saturation du gaz naturel à la pression P2. On remarque sur l'unique figure également la présence d'une boucle 26 contenant un second évaporateur 28. Cette boucle 26 a pour but de prélever du gaz naturel qui s'est condensé dans l'enceinte 14 pour l'amener vers le second évaporateur 28 dans lequel il repasse à l'état gazeux pour alimenter à nouveau l'enceinte 14. Le second évaporateur 28, de même que le premier évaporateur 20, peut être un évaporateur en échange thermique avec l'air ambiant, ou bien un évaporateur électrique ou à vapeur (ou tout autre dispositif permettant de provoquer une vaporisation du liquide). Un circuit de régulation comportant une conduite 30 reliant la boucle 26 en aval du second évaporateur 28 au réservoir de stockage 2 ainsi qu'une 20 vanne V5 de régulation est avantageusement prévu. Son fonctionnement est expliqué plus loin. Il permet notamment d'adapter rapidement, dans certaines conditions, la pression dans l'enceinte 14 et dans le circuit correspondant. D'autres éléments de contrôle et de gestion sont prévus pour la station décrite ci-dessus mais ne sont pas décrits ni illustrés sur la figure unique. Ces 25 éléments sont connus de l'homme du métier et ne contribuent pas directement à la présente invention. Le fonctionnement de la station de ravitaillement décrite ci-dessus est le suivant pour un ravitaillement d'un véhicule en gaz naturel liquéfié. On suppose que l'on souhaite ravitailler le véhicule à une pression P2 30 et à une température T données. Cette température T correspond à la température de saturation du gaz naturel à une pression P3. La pompe 4 cryogénique est utilisée pour amener du GNL se trouvant dans le réservoir de stockage d'une pression P1 à la pression P2 (à des pertes 3005 1 3 5 8 de charge près) requise. La majorité du liquide pompé et amené à la pression P2 est envoyé dans la première branche 10 à travers la ligne froide 12. Ce liquide traverse alors l'enceinte 14 dans laquelle sa pression reste sensiblement inchangée 5 mais où sa température varie pour sortir de celle-ci à la pression P2 et à la température T et alimenter la ligne principale 16 vers le véhicule à ravitailler. Une partie du liquide pompé est prélevée pour alimenter le premier évaporateur 20. Cette évaporation de GNL est utilisée pour venir pressuriser l'enceinte 14. Le régulateur 22 est utilisé pour obtenir une pression P3 dans la 10 ligne chaude du circuit, dans l'enceinte 14 et dans la boucle 26. L'ensemble formé par la ligne froide et l'enceinte 14 se présente par exemple sous la forme d'un échangeur à plaques permettant de réaliser un échange thermique entre le gaz naturel à l'état liquide dans la ligne froide 12 et le gaz naturel à l'état gazeux à la pression P3 et à la température de saturation 15 correspondante. Ainsi, le GNL à l'état liquide en sortie de la ligne froide 12 se trouve sensiblement à la température du gaz naturel à l'état gazeux, c'est-à-dire la température de saturation du gaz naturel à la pression P3 qui correspond à la température de délivrance souhaitée en sortie de la ligne principale 16. Lors de l'échange thermique entre le GNL à l'état liquide entrant dans la ligne froide 12 et le gaz naturel à l'état gazeux dans l'enceinte, du gaz est amené à passer à l'état liquide. Ce liquide est alors prélevé, de préférence par gravité, pour être vaporisé dans le second évaporateur 28 et retourner à l'état gazeux afin d'être réintroduit dans l'enceinte 14 à cet état gazeux. La pression dans la boucle 26 est régulée (à l'aide du régulateur 22) pour que le gaz se trouve sensiblement à la pression P3. Cette régulation permet de contrôler les apports de gaz en provenance du premier évaporateur 20 en fonction de la quantité de liquide qui se forme par condensation dans l'enceinte 14 afin de réaliser un équilibre dans le circuit et garantir la température de sortie du gaz naturel liquéfié dans la ligne principale 16. Lorsque la pression dans la boucle 26 est trop élevée, ou bien lorsqu'il convient de faire baisser la pression P3 pour changer la température de délivrance de GNL dans la ligne principale 16, la baisse de pression peut être régulée à l'aide de la vanne V5. La conduite 30, intégrant la vanne V5, débouche de préférence dans la partie du réservoir de stockage 2 contenant du gaz naturel à l'état liquide. De la sorte, le gaz s'échappant de la boucle 26 se condense dans le liquide du réservoir et limite l'augmentation de la pression dans le réservoir. La régulation de pression est ici réalisée en aval du second évaporateur 28 mais on pourrait aussi envisager, dans la configuration représentée, de réguler la pression en amont de cet évaporateur. Après le ravitaillement d'un ou plusieurs véhicules dans des mêmes conditions de pression et de température, lorsqu'un véhicule se présente à la station de ravitaillement et demande à faire le plein avec d'autres conditions de température et de pression, il convient, d'une part, d'adapter la pression de délivrance de GNL et, d'autre part, la température de délivrance. Pour faire varier la température, comme il ressort de la description qui précède, il convient de faire varier la pression, et donc aussi la température de condensation, dans l'enceinte 14. Il convient alors d'agir au niveau du régulateur 22 et éventuellement de la vanne V5. On remarque dans la description qui précède que la pression (et la température) dans la ligne principale 16, c'est-à-dire pour la délivrance du GNL, est indépendante de la pression dans le réservoir de stockage 2. Le GNL peut ainsi être maintenu le plus froid possible dans le réservoir de stockage 2. Le procédé (et le dispositif correspondant) permet de limiter les apports de chaleur dans le réservoir de stockage 2. De ce fait, on limite aussi la vaporisation du GNL se trouvant dans le réservoir et ainsi la purge de gaz à l'état gazeux par une soupape correspondante permettant d'éviter les surpressions dans le réservoir (mais provoquant la perte de gaz naturel). Le procédé et le dispositif de ravitaillement permettent donc de changer rapidement les conditions de délivrance du GNL. Il n'est pas nécessaire d'agir sur la pression de la phase gazeuse présente dans le réservoir de stockage pour modifier les conditions de délivrance en sortie de la ligne principale. Le procédé de ravitaillement a été décrit ci-dessus pour le ravitaillement de véhicules qui peuvent être des véhicules de toutes sortes. Il peut également être mis en oeuvre pour alimenter à partir d'un réservoir de grande taille un autre réservoir de stockage. Le procédé selon l'invention permet le maintien d'une certaine pression dans le réservoir dans lequel du liquide cryogénique est prélevé ou bien dans le réservoir recevant du liquide cryogénique lorsqu'une pressurisation du gaz est nécessaire. Bien entendu, la présente invention ne se limite pas au procédé de ravitaillement et au dispositif correspondant décrits ci-dessus à titre simplement illustratif et non limitatif. Elle concerne également toutes les variantes de réalisation évoquées et les autres variantes à la portée de l'homme du métier dans le cadre des revendications ci-après. REVENDICATIONS1. Procédé de ravitaillement en liquide cryogénique à partir d'un réservoir de stockage (2) comportant les étapes suivantes : - pressuriser une enceinte (14) avec du gaz cryogénique à une première pression, ladite enceinte étant traversée par une première ligne de circulation de fluide cryogénique dite ligne froide et une seconde ligne de circulation de fluide cryogénique dite ligne chaude, et - faire passer par la ligne froide du liquide cryogénique à une seconde pression, caractérisé en ce que l'enceinte (14) est alimentée en gaz cryogénique au moins partiellement à partir de liquide cryogénique pompé dans le réservoir de stockage (2) et vaporisé. 2. Procédé de ravitaillement selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte une étape de régulation de pression après vaporisation du liquide cryogénique et avant son introduction dans l'enceinte (14). 3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que du liquide cryogénique est pompé hors du réservoir de stockage (2), et en ce que le liquide pompé est utilisé, d'une part, pour l'alimentation de la ligne froide (12) et, d'autre part, pour être vaporisé avant d'être conduit vers l'enceinte (14). 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que du liquide cryogénique condensé au sein de l'enceinte (14) est revaporisé avant d'être réintroduit dans ladite enceinte (14). 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le liquide cryogénique est du gaz naturel liquéfié, et en ce que le gaz cryogénique est du gaz naturel à l'état gazeux. 6. Dispositif de ravitaillement en liquide cryogénique comportant un réservoir de stockage (2), une enceinte (14) pressurisée traversée par une première ligne dite ligne froide (12) avec une entrée alimentée en liquide cryogénique en provenance du réservoir de stockage (2) et une sortie de liquide cryogénique ainsi que par une seconde ligne dite ligne chaude alimentée par de moyens d'alimentation en gaz cryogénique sous pression pour la pressurisation de l'enceinte (14),caractérisé en ce que les moyens d'alimentation de l'enceinte avec du gaz cryogénique sous pression comportent une alimentation en liquide cryogénique en provenance du réservoir de stockage (2) ainsi que des moyens de vaporisation (20). 7. Dispositif de ravitaillement selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens de régulation (22, V3) de pression entre les moyens de vaporisation (20) et l'enceinte (14). 8. Dispositif de ravitaillement selon l'une des revendications 6 ou 7, caractérisé en ce qu'il comporte une boucle (26) avec un échangeur thermique (28), ladite boucle (26) comportant une ligne d'alimentation de l'échangeur thermique (28) à partir de l'enceinte (14) permettant de prélever par gravité du gaz cryogénique condensé sous forme liquide au sein de l'enceinte et une ligne de retour reliant la sortie de l'échangeur thermique (28) à l'enceinte (14) permettant de réintroduire du gaz cryogénique dans la ligne chaude vers l'enceinte (14) pressurisée. 9. Dispositif de ravitaillement selon la revendication 8, caractérisé en ce que la boucle (26) est reliée avec le réservoir de stockage (2) par une ligne comportant une vanne (V5). 10. Dispositif de ravitaillement selon l'une des revendications 6 à 9, caractérisé en ce qu'il comporte une pompe (4) destinée à prélever du liquide cryogénique dans le réservoir de stockage (2) et à amener le liquide cryogénique prélevé à une pression supérieure à la pression du liquide dans le réservoir de stockage (2). 11. Dispositif de ravitaillement selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'en aval de la pompe (4) une troisième ligne (10) alimente la ligne froide (12) et une quatrième ligne (18) dérivée de la troisième alimente les moyens de vaporisation (20) disposés en amont de l'enceinte (14).