Brevet FR3015651A1 — publié le 20150626

La présente invention est relative à un procédé et à un appareil de réchauffement d'un fluide cryogénique pour fournir un gaz chauffé. Un fluide cryogénique est un fluide qui se trouve à une température inférieure à 20°C, voire à -55°C, voire à -100°C. Un liquide cryogénique est un liquide qui se trouve sous forme liquide à une température inférieure à -20°C, voire à -55°C, voire à -100°C. L'invention concerne plus particulièrement un procédé de production de gaz sous pression à une température déterminée et une pression déterminée à partir d'un réservoir de gaz liquéfié stocké à température cryogénique, dans lequel du gaz liquéfié est extrait du réservoir puis est réchauffé par échange thermique avec au moins un organe de réchauffement. L'invention concerne notamment un procédé ou une installation de production et de distribution de gaz, notamment de gaz comprimé, à partir d'au moins un réservoir cryogénique contenant du gaz liquéfié. L'invention peut concerner plus particulièrement un procédé ou une installation de fourniture de gaz à des températures non cryogéniques (c'est-à-dire entre -80°C à la température ambiante) à partir de réservoirs cryogéniques. Les utilisateurs industriels ayant besoin de quantités relativement importantes de gaz produisent généralement leur gaz à partir de stockages cryogéniques. En effet, les réservoirs cryogéniques permettent de stocker des quantités massiques de gaz relativement importantes. Des gaz de l'air comme l'azote, l'oxygène, et l'argon ont une température de stockage cryogénique comprise entre de 80K et 110K et présentent donc une capacité de densification importante à l'état liquide. Le réservoir cryogénique alimente une installation de fourniture de gaz aux températures non cryogéniques déterminées (par exemple entre -40°C et 20°C) et à des pressions déterminées. Selon les applications, le gaz peut ainsi être produit à une pression proche de la pression atmosphérique ou bien à des niveaux de pression plus élevés, par exemple compris entre 100 et 800bar, notamment entre 200 et 500bar. Ainsi, de l'hydrogène stocké sous forme cryogénique (par exemple à 20K) peut 35 fournir de l'hydrogène à très haute pression typiquement (de 500 à 800bar par exemple) à des véhicules automobiles fonctionnant avec des piles à combustible. Pour ce faire, le gaz stocké à des températures cryogéniques est réchauffé et vaporisé par l'installation de l'usager, typiquement à l'aide d'évaporateurs et réchauffeurs atmosphériques. Ces stockages cryogéniques permettent de diminuer les besoins en logistique 5 de transport et augmentent l'autonomie des consommateurs, mais nécessitent une étape de liquéfaction et de maintient du fluide aux températures cryogéniques qui sont coûteuses dans le bilan énergétique et économique de l'installation. La réfrigération magnétique repose sur l'utilisation de matériaux magnétiques présentant un effet magnétocalorique. Réversible, cet effet se traduit par une 10 variation de leur température lorsqu'ils sont soumis à l'application d'un champ magnétique externe. Par contre, si les matériaux sont soumis à une température qui varie, la conductivité magnétique des matériaux varie. Les plages optimales d'utilisation de ces matériaux se situent au voisinage de leur température de Curie (Tc). 15 Il est connu de « Simulation of a Thermomagnetic Motor using NiFe Alloy and Gd » de Alves et al. , 5e Conférence Internationale sur le Froid Magnétique à Température Ambiante, 2012, de convertir de la chaleur en travail moteur et/ou en électricité en modifiant un champ magnétique créé par un matériau présentant un effet magnétocalorique. La modification du champ permet de créer un travail moteur 20 permet de créer un travail moteur et/ou un courant électrique. Des exemples de générateurs d'électrique utilisant un matériau présentant un effet magnétocalorique utilisant une source froide et une source chaude sont donnés dans FR-A-2914503 et US-A-8453466. Un dispositif de réfrigération magnétique met en oeuvre des éléments en 25 matériau magnétocalorique, qui génèrent de la chaleur lorsqu'ils sont magnétisés et absorbent de la chaleur lorsqu'ils sont démagnétisés. Il peut mettre en oeuvre un régénérateur à matériau magnétocalorique pour amplifier la différence de température entre la « source chaude » et la «source froide» : on parle alors de réfrigération magnétique active à récupération. 30 Une pompe à chaleur est un dispositif thermodynamique permettant de transférer une quantité de chaleur d'un milieu considéré comme « émetteur » (milieu fournisseur), dit source « froide » vers un milieu « récepteur » de calories, dit source « chaude ». La source froide est le milieu d'où l'on extrait la chaleur et la source chaude le milieu où on la réinjecte, la source froide étant à une température plus 35 froide que la source chaude. Une température ambiante est la température de l'air ambiant dans lequel se situe le procédé, ou encore une température d'un circuit d'eau de refroidissement en lien avec la température d'air. Une température subambiante est au moins 10°C inférieure à la température ambiante. Une température cryogénique est inférieure à -20°C, voire à -55°C, voire à 100°C. Un but de la présente invention est de pallier tout ou partie des inconvénients de l'art antérieur relevés ci-dessus. Il est un objet de la présente invention de valoriser le froid généré par la vaporisation et/ou le réchauffement d'un liquide cryogénique, en particulier la vaporisation et/ou le réchauffement dans un vaporiseur de secours ou la vaporisation et/ou le réchauffement dans un système de fourniture de gaz à partir d'un stockage de liquide de cryogénique. Il est souvent nécessaire de vaporiser et/ou réchauffer un liquide cryogénique pour fournir du gaz. Généralement les frigories libérées sont transférées au fluide qui chauffe le liquide, pouvant être de l'air, de l'eau ou de la vapeur d'eau, et les frigories sont ensuite perdues dans l'atmosphère. Selon un objet de l'invention, il est prévu un procédé de réchauffement de fluide, voire gaz liquéfié, jusqu'à une température déterminée, à une pression déterminée dans lequel du fluide est réchauffé, voire vaporisé dans le cas d'un liquide, par échange thermique avec au moins un organe de réchauffement, caractérisé en ce que le au moins un organe de réchauffement comprend au moins un élément à propriétés magnétocaloriques, intégré dans un circuit apte à conduire un flux magnétique, ledit au moins un élément étant en contact thermique de manière alternée avec une source froide, constitué par le fluide à réchauffer, voire le liquide à vaporiser, et une source chaude constitué par l'ambiant ou une autre source plus chaude que le fluide à réchauffer et des moyens de génération d'énergie électrique et/ou mécanique par variation du flux magnétique par l'effet magnétocalorique. Selon d'autres aspects facultatifs : - le fluide à réchauffer a pour composant(s) principal/principaux au moins un des fluides suivants : de l'air, de l'azote, de l'oxygène, de l'argon, du dioxyde de carbone, du méthane, de l'hélium, de l'hydrogène, du monoxyde de carbone. - le fluide à réchauffer contient au moins 40% mol d'un des fluides suivants : de l'air, de l'azote, de l'oxygène, de l'argon, du dioxyde de carbone, du méthane, de l'hélium, de l'hydrogène, du monoxyde de carbone. - le fluide à réchauffer contient au moins 60% mol d'un des fluides suivants : de l'air, de l'azote, de l'oxygène, de l'argon, du dioxyde de carbone, du méthane, de l'hélium, de l'hydrogène, du monoxyde de carbone. - le fluide à réchauffer contient au moins 75% mol d'un des fluides suivants : de l'air, de l'azote, de l'oxygène, de l'argon, du dioxyde de carbone, du méthane, de l'hélium, de l'hydrogène, du monoxyde de carbone. -le fluide est issu d'un réservoir de fluide, stocké à température éventuellement cryogénique. - le fluide issu du réservoir est d'abord comprimé dans une pompe avant d'être réchauffé au moyen de l'organe de réchauffement. - le fluide est un liquide. - le liquide est d'abord préchauffé et ensuite vaporisé, puis enfin éventuellement réchauffé jusqu'à une température proche de la température ambiante. -un premier organe de réchauffement sert à vaporiser le liquide et un deuxième organe de réchauffement sert à chauffer le liquide vaporisé et éventuellement un troisième organe de réchauffe sert à préchauffer le liquide à vaporiser, au moins un des premier, deuxième et troisième organes comprenant au moins un élément à propriétés magnétocaloriques, intégré dans un circuit apte à conduire un flux magnétique. - le fluide réchauffé par l'organe est à une pression inférieure à sa pression critique - le fluide réchauffé par l'organe est à une pression supérieure à sa pression critique - le fluide à réchauffer est mis en contact direct avec l'élément à propriétés magnétocaloriques. - l'échange thermique du réchauffement est réalisé à travers un échangeur de chaleur avec un fluide caloporteur ayant été en contact avec l'élément à propriétés magnétocaloriques. - l'échange thermique est réalisé à travers un circuit caloporteur intermédiaire avec le fluide caloporteur ayant été en contact avec l'élément à propriétés magnétocaloriques. - au moins une partie du fluide est réchauffée et/ou vaporisée au moyen d'un vaporiseur indépendant de l'organe de réchauffement. Selon un autre objet de l'invention, il est prévu un procédé de liquéfaction d'un gaz pour produire un liquide et de vaporisation du liquide dans lequel la vaporisation du liquide s'effectue selon une des revendications précédentes si le prix de l'électricité est au-dessus d'un seuil et la liquéfaction du gaz s'effectue si le prix de l'électricité est en dessous du seuil, de préférence en refroidissant le gaz par réfrigération magnétique. Selon un autre objet de l'invention, il est prévu un appareil de réchauffement de fluide, voire gaz liquéfié, jusqu'à une température déterminée, à une pression déterminée comprenant des moyens pour permettre un transfert de chaleur entre du fluide qui est à réchauffer, voire vaporisé dans le cas d'un liquide, et au moins un organe de réchauffement, caractérisé en ce que le au moins un organe de réchauffement comprend au moins un élément à propriétés magnétocaloriques, intégré dans un circuit apte à conduire un flux magnétique, ledit au moins un élément étant en contact thermique de manière alternée avec une source froide, constitué par le fluide à réchauffer, voire le liquide à vaporiser, et une source chaude constitué par l'ambiant ou une autre source plus chaude que le fluide à réchauffer et des moyens de génération d'énergie électrique et/ou mécanique par variation du flux magnétique par l'effet magnétocalorique. Selon d'autres objets de l'invention : -l'appareil comprend des moyens pour envoyer le gaz liquéfié à réchauffer à un vaporiseur reliés en série ou en parallèle avec l'organe de réchauffement. - le fluide est le seul fluide qui se réchauffe par échange de chaleur avec l'organe de réchauffement. - le fluide se réchauffe dans un échangeur dans lequel seulement un ou des fluides réchauffé(s) par le ou les organe(s) de réchauffement apporte(nt) des calories. - l'appareil ne comprend pas d'élément permettant de produire le fluide à 30 réchauffer à basse température. -l'échangeur de chaleur est disposé en dehors de toute enceinte thermiquement isolée - le vaporiseur est disposé en dehors de toute enceinte thermiquement isolée L'invention peut concerner également tout dispositif ou procédé alternatif 35 comprenant toute combinaison des caractéristiques ci-dessus ou ci-dessous. D'autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description ci-après, faite en référence aux figures dans lesquelles : - la figure 1 représente une vue schématique et partielle illustrant la structure et le fonctionnement d'un premier exemple d'installation de production de gaz selon l'invention, - les figures 2 et 3 représentent des vues schématiques et partielles illustrant la structure et le fonctionnement de, respectivement un deuxième et un troisième exemples d'installation de production de gaz selon l'invention, - la figure 4 représente une vue schématique et partielle illustrant la structure et le fonctionnement d'un quatrième exemple d'installation de production de gaz selon l'invention, - les figures 5 et 6 représentent des vues schématiques et partielles illustrant la structure et le fonctionnement de, respectivement un cinquième et un sixième exemple d'installation de production de gaz selon l'invention. La figure 1 illustre un premier exemple d'installation de production de gaz sous pression à une température Tf déterminée (par exemple 20°C) et une pression Pf déterminée (par exemple 7bar) à partir d'un réservoir S de gaz liquéfié stocké à température TO cryogénique (par exemple -175°C) et la pression atmosphérique. L'installation comporte un circuit de soutirage de fluide du réservoir S. Ce circuit de soutirage comporte une conduite de soutirage 1 de liquide reliant en série une vanne de soutirage et une pompe P. La conduite de soutirage est reliée en aval de la pompe P à deux conduites 3,5 en parallèle. La conduite 3 est reliée à un échangeur de chaleur E à plaques et à ailettes et la conduite 5 est reliée à un vaporiseur V permettant un échange de chaleur avec l'air ambiant. Les conduites 3 et 5 se 25 rejoignent en aval de l'échangeur E et du vaporiseur V en une conduite commune 7. Le gaz à la pression Pf déterminée et la température déterminée Tf peut être fournie à l'application. Si la vaporisation est impossible dans l'échangeur E en raison d'une panne, le liquide peut se vaporiser dans le vaporiseur en passant dans la conduite 5. 30 Un fluide 9 est réchauffé au moyen d'un organe de réchauffement G qui est relié à un fluide 11 constituant une source chaude. Le fluide 11 peut par exemple être de l'air ambiant ou un autre fluide à température plus élevée que le fluide 3. Le fluide 9 est envoyé à l'échangeur de chaleur E comme seul fluide apportant des calories. Il sert à préchauffer, vaporiser le fluide 3 pour former un gaz et à réchauffer ce gaz. Le 35 fluide 9 ainsi refroidi est envoyé à l'organe de réchauffement G. L'organe G comprend au moins un élément à propriétés magnétocaloriques, intégré dans un circuit apte à conduire un flux magnétique. Le refroidissement provenant de la vaporisation et/ou réchauffement du fluide 3 modifie le flux magnétique et permet de générer de l'énergie électrique et/ou mécanique. La figure 2 illustre une variante de réalisation qui se distingue de la forme de réalisation de la figure 1 uniquement en ce que la conduite 5 est absente et la conduite est reliée d'abord à l'échangeur E et ensuite au vaporiseur V en série, de sorte que la conduite 7 est la continuation de la conduite 3. Ici si la vaporisation ne se réalise pas ou ne se réalise pas entièrement dans l'échangeur E, elle peut se réaliser ou se terminer dans le vaporiseur V relié en série. La figure 3 illustre une variante de réalisation qui se distingue de la forme de réalisation de la figure 1 en ce le stockage S est sous pression et que la pompe P est absente. La figure 4 illustre encore une autre variante d'installation. L'installation de la figure 4 se distingue de l'installation de la figure 1 en ce que l'échangeur E est relié à deux organes G, G' comprenant au moins un élément à propriétés magnétocaloriques, intégré dans un circuit apte à conduire un flux magnétique. Un premier organe G' a une source chaude 11A et est relié à l'échangeur E au moyen d'un fluide 9A afin de vaporiser le fluide 3 au moyen d'un fluide 9A. L'organe G relié à la source chaude 11 permet de fournir de la chaleur sensible au fluide 3 au moyen du fluide 9. On pourrait rajouter un troisième organe pour préchauffer le liquide à vaporiser 3. Alternativement un des organes de réchauffement pourrait être un réchauffeur électrique. Une autre alternative serait d'utiliser un ou deux organes G, G' comprenant au moins un élément à propriétés magnétocaloriques, intégré dans un circuit apte à conduire un flux magnétique dans le schéma de la figure 2 et de terminer le réchauffement ou la vaporisation au moyen d'un échangeur de chaleur V avec l'air ambiant. La figure 5 illustre encore une autre variante d'installation de fourniture de gaz. L'organe de réchauffement G peut être intégré dans l'échangeur E, de sorte que le fluide 9 n'est pas utilisé pour transférer la chaleur. La figure 6 illustre encore une autre variante de 1"installation de la figure 5 avec le vaporiseur V en série. Les installations et procédés décrits ci-dessus permettent une production de gaz à partir d'une réserve cryogénique tout en permettant la production simultanée d'électricité (ou de travail mécanique) et de chauffage, pour réchauffer et vaporiser le gaz à distribuer à une température supérieure à sa température de stockage cryogénique. Il peut être envisagé de vaporiser le liquide et de générer de l'énergie mécanique et/ou électrique uniquement à certaines périodes, par exemple quand le prix de l'électricité dépasse un premier seuil. Il est possible de combiner un procédé de vaporisation de ce genre avec un procédé de liquéfaction qui sert à liquéfier du gaz qui sera ensuite vaporisé dans un procédé selon une des figures déjà décrites. Ainsi le gaz peut être liquéfié pour le stocker quand le prix de l'électricité est en dessous du premier seuil, par exemple la nuit, et vaporisé pour produire de l'électricité quand l'électricité est plus chère, par exemple pendant des pics de consommation. La réfrigération pour la liquéfaction s'effectue de préférence en refroidissant le gaz avec de la réfrigération magnétique. Eventuellement le même organe G ;G' fournit au moins une partie de la chaleur pour la vaporisation et au moins une partie de la réfrigération pour la liquéfaction. Pour toutes les figures, la variation du flux magnétique par l'effet magnétocalorique dans l'élément peut générer de l'énergie électrique à exporter ou à utiliser dans le procédé. Sinon ou en addition, la variation peut générer de l'énergie mécanique pour entraîner, par exemple, une machine tournante du procédé ou une génératrice. REVENDICATIONS1. Procédé de réchauffement de fluide, voire gaz liquéfié, jusqu'à une température (Tf) déterminée, à une pression déterminée dans lequel du fluide est réchauffé, voire vaporisé dans le cas d'un liquide, par échange thermique avec au moins un organe (G, G',E) de réchauffement, caractérisé en ce que le au moins un organe de réchauffement comprend au moins un élément à propriétés magnétocaloriques (G,G'), intégré dans un circuit apte à conduire un flux magnétique, ledit au moins un élément étant en contact thermique de manière alternée avec une source froide, constituée par le fluide à réchauffer (3), voire le liquide à vaporiser, et une source chaude (11,11A) constituée par l'ambiant ou une autre source plus chaude que le fluide à réchauffer et la variation du flux magnétique par l'effet magnétocalorique génère d'énergie électrique et/ou mécanique. 2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel le fluide (3) a pour composant(s) principal/principaux au moins un des fluides suivants : de l'air, de l'azote, de l'oxygène, de l'argon, du dioxyde de carbone, du méthane, de l'hélium, de l'hydrogène, du monoxyde de carbone. 3. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel le fluide (3) est issu d'un réservoir de fluide (S), stocké à température éventuellement cryogénique. 4. Procédé selon la revendication 3 dans lequel le fluide (3) issu du réservoir (S) est d'abord comprimé dans une pompe (P) avant d'être réchauffé au moyen de l'organe de réchauffement (G, G'). 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel le fluide (3) est un liquide. 6. Procédé selon la revendication 5 dans lequel le liquide (3) est d'abord préchauffé et ensuite vaporisé, puis enfin éventuellement réchauffé jusqu'à une température proche de la température ambiante. 7. Procédé selon la revendication 6 dans lequel un premier organe de réchauffement (G, G') sert à vaporiser le liquide et un deuxième organe (G, G') de réchauffement sert à chauffer le liquide vaporisé et éventuellement un troisième organe de réchauffement sert à préchauffer le liquide à vaporiser, au moins un des premier, deuxième et troisième organes comprenant au moins un élément à propriétés magnétocaloriques, intégré dans un circuit apte à conduire un flux magnétique. 8. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel le fluide (3) réchauffé par l'organe (G, G', E) est à une pression inférieure à sa pression critique 9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7 dans lequel le fluide (3) réchauffé par l'organe (G, G', E) est à une pression supérieure à sa pression critique 10. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel le fluide à réchauffer (3) est mis en contact direct avec l'élément à propriétés magnétocaloriques (G, G'). 11. Procédé selon l'une des revendications 1 à 9 dans lequel l'échange thermique du réchauffement est réalisé à travers un échangeur de chaleur (E) avec un fluide caloporteur (9, 9A) ayant été en contact avec l'élément à propriétés magnétocaloriques (G, G'). 12. Procédé selon l'une des revendications 1 à 9 dans lequel l'échange thermique est réalisé à travers un circuit caloporteur intermédiaire avec le fluide caloporteur ayant été en contact avec l'élément à propriétés magnétocaloriques (G, G'). 13. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel au moins une partie du fluide (1, 5) est réchauffée et/ou vaporisée au moyen d'un vaporiseur (V) indépendant de l'organe de réchauffement (G, G', E). 14. Procédé de liquéfaction d'un gaz pour produire un liquide et de vaporisation du liquide (1) dans lequel la vaporisation du liquide s'effectue selon unedes revendications précédentes si le prix de l'électricité est au-dessus d'un seuil et la liquéfaction du gaz s'effectue si le prix de l'électricité est en dessous du seuil, de préférence en refroidissant, voire en liquéfiant, le gaz par réfrigération magnétique. 15. Appareil de réchauffement de fluide, voire gaz liquéfié, jusqu'à une température (Tf) déterminée, à une pression déterminée comprenant des moyens pour permettre un transfert de chaleur entre du fluide (1, 3) qui est à réchauffer, voire vaporisé dans le cas d'un liquide, et au moins un organe (G, G', E) de réchauffement, caractérisé en ce que le au moins un organe de réchauffement comprend au moins un élément à propriétés magnétocaloriques (G, G'), intégré dans un circuit apte à conduire un flux magnétique, ledit au moins un élément étant en contact thermique de manière alternée avec une source froide, constituée par le fluide à réchauffer, voire le liquide à vaporiser, et une source chaude (11, 11A) constituée par l'ambiant ou une autre source plus chaude que le fluide à réchauffer et des moyens de génération d'énergie électrique et/ou mécanique par variation du flux magnétique par l'effet magnétocalorique. 16. Appareil selon la revendication 15 comprenant des moyens pour envoyer le gaz liquéfié à réchauffer à un vaporiseur (V) reliés en série ou en parallèle avec l'organe de réchauffement (G, G', E).