Brevet FR3032257A1 — publié le 20160805

La présente invention concerne un procédé et un dispositif de remplissage de réservoir d'hydrogène. L'invention concerne plus particulièrement un procédé de remplissage d'un réservoir d'hydrogène gazeux sous pression à partir d'au moins un stockage 5 source contenant de l'hydrogène gazeux sous pression à une première température déterminée et à une pression déterminée supérieure à la pression dans le réservoir à remplir, dans lequel de l'hydrogène est transféré du stockage source vers le réservoir par équilibrage de pression via un circuit de remplissage ayant une extrémité amont reliée au stockage source et une extrémité aval reliée 10 au réservoir, et dans lequel, le au moins un stockage source est en échange thermique avec un organe de réchauffage du gaz stocké dans le stockage source. Le remplissage de réservoirs de carburant avec de l'hydrogène gazeux est généralement réalisé via un et de préférence plusieurs équilibrages de pression entre un ou des stockages sources et le réservoir à remplir. Une solution bien 15 connue utilise plusieurs stockages sources raccordés en parallèle et qui sont utilisés successivement pour maximiser les écarts de pression entre la source et de réservoir à remplir (remplissage dit « en cascade »). Un compresseur peut être également prévu en appoint pour suppléer ou compléter le cas échéant le remplissage. 20 Plusieurs techniques sont connues pour optimiser la quantité de gaz transférée dans le temps de remplissage imparti. Ainsi, il est connu de contrôler le débit de gaz transféré pour minimiser l'échauffement produit dans le réservoir rempli. En réduisant le débit de transfert de gaz on limite les risques d'échauffement trop important dans le réservoir mais 25 on augmente le temps de remplissage. Une autre solution connue consiste à refroidir le gaz avant son entrée dans le réservoir pour minimiser/contrôler l'élévation de la température dans le réservoir. Cette solution peut cependant nécessiter une forte ressource énergétique. Le document EP2175187A2 décrit un système de remplissage dans 30 lequel la température du gaz est contrôlée (abaissée) avant son entrée dans le réservoir. 3 0 3 2 2 5 7 2 Le document W02011026551A1 décrit quant à lui un système de remplissage dans lequel la température des stockages source est maintenue à un niveau bas déterminé. Un but de la présente invention est d'améliorer l'efficacité du remplissage et/ou de pallier tout ou partie des inconvénients de l'art antérieur relevés ci- dessus. A cette fin, le procédé de remplissage selon l'invention, par ailleurs conforme à la définition générique qu'en donne le préambule ci-dessus, est essentiellement caractérisé en ce que, pendant au moins une partie du transfert d'hydrogène du stockage source vers le réservoir, le gaz contenu dans le stockage source est réchauffé à une seconde température déterminée qui est supérieure à la première température. C'est-à-dire que, pendant le remplissage et/ou préalablement à au moins une partie du remplissage, la au moins une source de stockage est réchauffée 15 pour augmenter la pression du gaz dans le stockage de façon à augmenter le différentiel de pression par rapport au réservoir à remplir. De préférence, ce réchauffage est réalisé lorsque la pression dans le stockage source descend en dessous d'un seuil bas déterminé et/ou lorsque la pression au sein du réservoir en cours de remplissage atteint un seuil haut 20 déterminé. Par ailleurs, des modes de réalisation de l'invention peuvent comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - le réchauffage du gaz contenu dans le stockage source augmente sa température d'une valeur déterminée comprise entre 10°C à 60°C et de 25 préférence entre 20°C à 40°C, - pendant le transfert de l'hydrogène du stockage source vers le réservoir, lorsque le différentiel de pression entre d'une part le gaz dans le stockage source et, d'autre part, le gaz dans le réservoir, est inférieur à un premier différentiel déterminé, le gaz contenu dans le stockage source est réchauffé via l'organe de 30 réchauffage, - le gaz contenu dans le stockage source est réchauffé uniquement lorsque le différentiel de pression entre d'une part le gaz dans le stockage source et, d'autre part, le gaz dans le réservoir, est inférieur audit premier différentiel déterminé, - le premier différentiel déterminé est compris entre 50 et 250 bar et de préférence compris entre 100 et 200 bar, - pendant le transfert de l'hydrogène du stockage source vers le réservoir, lorsque le différentiel de pression entre d'une part le gaz dans le stockage source et, d'autre part, le gaz dans le réservoir, est supérieur à un second différentiel déterminé, le gaz contenu ou soutiré du stockage source est refroidi, - le refroidissement du gaz contenu dans le stockage source diminue sa 10 température de 10°C à 60°C et de préférence de 20°C à 40°C, - le gaz dans le stockage source a une pression initiale avant remplissage et avant réchauffage comprise entre 150 et 950 bar et notamment entre 250 et 850bar, L'invention concerne également un dispositif de remplissage d'un réservoir 15 d'hydrogène gazeux sous pression comprenant au moins un stockage source contenant de l'hydrogène gazeux sous pression à une première température déterminée et à une pression déterminée, un organe de réchauffage du gaz stocké dans le stockage source, un circuit de remplissage ayant une extrémité amont reliée au stockage source et une extrémité aval raccordable de façon 20 amovible au réservoir à remplir, au moins un organe de régulation de la pression et/ou du débit de gaz admis à circuler dans le circuit depuis le stockage source vers le réservoir, un organe électronique d'acquisition, de stockage et de traitement de données relié à l'organe de régulation, relié également à l'organe de réchauffage du gaz stocké dans le stockage source et à un capteur de la pression 25 dans le réservoir, l'organe électronique d'acquisition, de stockage et de traitement de données étant configuré pour contrôler le débit et/ou la pression du gaz dans le circuit de remplissage, l'organe électronique d'acquisition, de stockage et de traitement de données étant configuré pour commander le réchauffage du gaz contenu dans le stockage source à une seconde température déterminée qui est 30 supérieure à la première température pendant au moins une partie du transfert d'hydrogène du stockage source vers le réservoir. Selon une particularité possible, l'organe de réchauffage comprend un échangeur de chaleur et/ou un circuit de fluide caloporteur en échange thermique avec le réservoir source. L'invention peut concerner également tout dispositif ou procédé alternatif 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 un exemple de dispositif de remplissage pouvant mettre en oeuvre l'invention, - la figure 2 représente des courbes comparatives de variation de la pression au sein de stockages sources et de réservoirs lors de remplissages avec et sans la mise en oeuvre de l'invention. La figure 1 représente schématiquement et partiellement un exemple de station de remplissage de réservoirs 1 d'hydrogène gazeux sous pression (par exemple des réservoirs de véhicules). La station comprend classiquement au moins un stockage 2 source contenant de l'hydrogène gazeux sous pression, par exemple à une pression comprise entre 150bar et 1000bar, notamment 700 à 900 bar. Les stockages 2 sources sont par exemple à la température ambiante ou maintenus à une température déterminée (par exemple à 15°C ou 0°C). La station comprend en outre un circuit 3 de remplissage ayant une extrémité amont reliée au(x) stockage(s) 2 source et une extrémité aval raccordable de façon amovible au réservoir 1 à remplir. Le circuit 3 de remplissage comprend par exemple une vanne 4 d'isolation et un organe 5 de régulation de la pression et/ou du débit de gaz admis à circuler dans le circuit 3 depuis le stockage 2 source vers le réservoir 1. L'organe 5 de régulation comprend par exemple une vanne, pilotée ou non, un détendeur de pression ou tout autre organe approprié pour contrôler le débit de gaz ou la montée en pression dans le réservoir 1 à remplir. La station comprend en outre un capteur 8 de pression dans le réservoir, situé par exemple dans le circuit 3 de remplissage en amont du réservoir 1. Bien entendu ce capteur 8 peut être remplacé ou complété par un capteur de pression dans le réservoir 1, autour du réservoir et/ou par une modélisation logicielle calculant cette pression. Comme illustré schématiquement, le circuit 3 de remplissage peut comporter en outre un échangeur 9 de chaleur en échange thermique avec le gaz 5 en aval de l'organe 5 pour le cas échéant réguler la température du gaz (pour refroidir le gaz notamment). La station comprend en outre de préférence un organe 7 électronique d'acquisition, de stockage et de traitement de données, par exemple un automate, un calculateur, un ordinateur ou tout autre dispositif à microprocesseur ou 10 analogue. L'organe 7 électronique d'acquisition, de stockage et de traitement de données est relié à l'organe 5 de régulation et à l'organe 6 de réchauffage du gaz stocké dans le stockage 2 source pour les commander/piloter. De plus, l'organe 7 électronique d'acquisition de stockage et de traitement de données est relié au 15 capteur 8 de la pression dans le réservoir 1 pour recueillir le signal de ce dernier. L'organe 7 électronique d'acquisition, de stockage et de traitement de données peut être relié également à un capteur de mesure de la pression et/ou de la température dans le stockage 2 source ou à sa sortie. La station comprend en outre un organe 6 de réchauffage du gaz stocké 20 dans le stockage 2 source. Classiquement, l'organe 7 électronique d'acquisition, de stockage et de traitement de données est configuré pour contrôler le débit et/ou la pression du gaz dans le circuit de remplissage de façon à optimiser le remplissage (durée déterminée, quantité transférée, sans générer un échauffement au-delà d'un seuil 25 prescrit, par exemple déterminé par la nature du réservoir 1). Selon une caractéristique avantageuse, l'organe 7 électronique d'acquisition, de stockage et de traitement de données est configuré également pour commander le réchauffage du gaz contenu dans le stockage 2 source à une température déterminée qui est supérieure à la température courante pendant au 30 moins une partie du transfert d'hydrogène du stockage 2 source vers le réservoir 1. De préférence, ce réchauffement est réalisé en fin de transfert de gaz entre le stockage 2 source et le réservoir 1. 3 0 3 2 2 5 7 6 Par exemple, pendant un remplissage, lorsque (ou juste avant) que le différentiel de pression entre d'une part le gaz dans le stockage 2 source et, d'autre part, le gaz dans le réservoir 1, n'atteigne une valeur inférieure à un premier différentiel déterminé, le gaz contenu dans le stockage 2 source est réchauffé via l'organe 6 de réchauffage. De préférence, ce réchauffage est réalisé uniquement lorsque le différentiel de pression entre d'une part le gaz dans le stockage 2 source et, d'autre part, le gaz dans le réservoir 1, est inférieur audit premier différentiel déterminé. Ce premier différentiel déterminé est compris par exemple entre 50 et 250 10 bar et de préférence compris entre 100 et 200bar. Le réchauffage du gaz contenu dans le stockage 2 source peut être prévu pour augmenter sa température d'une valeur déterminée par exemple comprise entre 10°C à 60°C et de préférence entre 20°C à 40°C, notamment 30°C. Ce réchauffage permet d'augmenter la pression du gaz dans le stockage 2 15 source et permet ainsi de maximiser le différentiel de pression entre la source 2 et le réservoir 1 receveur. En effet, à mesure que la différence de pression entre le stockage 2 source et le réservoir 1 se réduit (la pression dans le réservoir source diminue au profit du réservoir 1), les inventeurs ont déterminé qu'il était avantageux de réchauffer le 20 gaz dans le stockage 2 source. Ainsi, le différentiel de pression peut-être augmenté, maintenue ou, à défaut sa diminution peut être minimisée aussi longtemps que possible pour améliorer l'efficacité du remplissage. La pression finale dans le stockage 2 source (à son échauffement près) 25 sera inférieure à celle obtenue dans les procédés de l'art antérieur (sans réchauffement). C'est-à-dire que le réservoir 1 sera mieux rempli (meilleur efficacité de remplissage pour un temps donné) et le stockage source 2 sera mieux utilisé (mieux vidé). Bien entendu, en début de remplissage, notamment lorsque le différentiel 30 de pression est important (supérieur 200 bar par exemple), le gaz peut être refroidi (par exemple via un échangeur 9 en aval de l'organe 5 de régulation et/ou via un échange thermique directement au niveau du stockage 2 source). Ce refroidissement bien connu permet de minimiser l'échauffement dans le réservoir 1, notamment en début de remplissage lorsque la détente de l'hydrogène produit un surplus d'échauffement par effet en Joule Thomson en plus de l'effet de compression En fin de remplissage le réservoir 1 peut tolérer un gaz relativement plus chaud. Dans le cas par exemple d'un stockage 2 source contenant de l'hydrogène gazeux à une pression de 700bar et une température de 15°C. Réchauffer ce gaz à jusqu'à 45°C (par exemple à densité constante) permet d'atteindre une pression de 775 bar environ dans le stockage 2. L'invention est particulièrement avantageuse dans le cas où un compresseur est utilisé dans la station de remplissage car le besoin d'utiliser le compresseur peut être réduit. De plus, le réchauffement d'un fluide caloporteur de refroidissement du gaz peut le cas échéant être utilisé pour réchauffer le stockage 2 source. Le procédé est particulièrement avantageux pour des remplissages relativement longs c'est-à-dire ayant des durées compris entre dix minutes et soixante minutes. Le procédé peut s'appliquer également à des remplissages rapides (entre deux et dix minutes par exemple). La figure 2 illustre schématiquement les effets de l'invention par rapport à l'art antérieur. Les courbes en trait continu et avec des croix représentent la variation de pression dans le stockage 2 source respectivement sans et avec le réchauffage selon l'invention. Les courbes en traits discontinus longs et courts représentent la variation 25 de pression dans le réservoir rempli respectivement sans et avec le réchauffage selon l'invention. Ainsi, en début de remplissage le gaz du stockage source est refroidi ou aucune action thermique n'est réalisée sur lui. Il peut par exemple avoir été pré-refroidi à une température de -30°C par exemple. 30 Le remplissage est amorcé, la pression dans le stockage 2 source décroît et celle dans le réservoir 1 cible croît. Lorsque par exemple le différentiel de pression entre les deux contenants est inférieur à un différentiel seuil, par exemple de l'ordre de 100 à 200bar, le réchauffage du gaz dans le stockage 2 source peut être réalisé. Le réchauffage peut consister à atteindre une augmentation de +30°C par rapport à la température initiale, voir par rapport à la température ambiante. Par exemple, dans le cas d'une température ambiante comprise entre -20°c et +40°C, le gaz peut être réchauffé jusqu'à 70°C par exemple. Les inventeurs sont par ailleurs mis en évidence que la solution décrit ci-dessus peut présenter des avantages en terme de bilan énergétique. En effet, pour un stockage de 0,5m3 de volume ou plus, le réchauffage permet de réduire l'utilisation d'un compresseur. Selon les conditions de l'installation, le bilan économique est positif lorsque la durée d'utilisation d'un compresseur atteint une certaine valeur (par exemple 120 secondes). Considérons une station de remplissage qui délivre du gaz en sortie de compresseur à une température de 30°C et qui est refroidi en aval à une température de -40°C. Si le gaz dans le stockage 2 source est à 15°C et est réchauffé à une température de 45°C, cela signifie qu'il faut refroidir le gaz de la température de 45°C jusqu'à la température de -40°C. La consommation énergétique du groupe froid est augmentée dans ce cas de 1265kJ. Selon l'invention il est possible de réutiliser les calories dissipée au niveau du bloc froid (échangeur 9) pour réchauffer le stockage 2 source. On peut récupérer par exemple entre 50% et 100% de l'énergie dissipée dans le bloc 9 de refroidissement. De plus d'autres sources de chaleur peuvent être utilisées au sein de la station de remplissage (compresseurs...). Dans des conditions particulières d'un véhicule ayant un réservoir à une pression de 100 bar et un stockage 2 source stockant de l'hydrogène dans un volume de 0,75m3 à une pression de 855 bar, le réchauffage du gaz du stockage 2 source à une température de 55°C permettrait de remplir complètement le réservoir par équilibrage de pression sans utiliser le compresseur, contrairement une solution sans réchauffage. De manière générale, l'invention permet d'insérer 0,3 kg d'hydrogène en plus par rapport à la solution antérieure sans réchauffage. Ceci correspond à environ 25 à 30 secondes de fonctionnement compresseur économisé. Pour augmenter l'économie d'utilisation d'un compresseur, le compresseur pourrait être démarré de façon décalée (pas dès le début du remplissage). Dans des conditions particulières par exemple, le temps utile de fonctionnement du compresseur initialement de 1,12 min pourrait être réduit à 0,72 min par exemple. L'invention permet par exemple de réduire la taille et la puissance du 5 compresseur nécessaire. Ainsi, selon les conditions d'utilisation, les gains énergétiques de l'invention sont plus ou moins importants. Bien entendu, l'invention peut s'appliquer à tout autre type de gaz que l'hydrogène. De plus, l'invention peut s'appliquer à une installation (station) 10 utilisant plusieurs stockages 2 sources raccordés en parallèle et utilisés successivement ou simultanément). REVENDICATIONS1. Procédé de remplissage d'un réservoir (1) d'hydrogène gazeux sous pression à partir d'au moins un stockage (2) source contenant de l'hydrogène gazeux sous pression à une première température déterminée et à une pression déterminée supérieure à la pression dans le réservoir (1) à remplir, dans lequel de l'hydrogène est transféré du stockage (2) source vers le réservoir (1) par équilibrage de pression via un circuit (3) de remplissage ayant une extrémité amont reliée au stockage (2) source et une extrémité aval reliée au réservoir (1), et dans lequel, le au moins un stockage (2) source est en échange thermique avec un organe (6) de réchauffage du gaz stocké dans le stockage (2) source, caractérisé en ce que, pendant au moins une partie du transfert d'hydrogène du stockage (2) source vers le réservoir (1), le gaz contenu dans le stockage (2) source est réchauffé à une seconde température déterminée qui est supérieure à la première température. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le réchauffage du gaz contenu dans le stockage (2) source augmente sa température d'une valeur déterminée comprise entre 10°C à 60°C et de préférence entre 20°C à 40°C. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que pendant le transfert de l'hydrogène du stockage source (2) vers le réservoir (1), lorsque le différentiel de pression entre d'une part le gaz dans le stockage (2) source et, d'autre part, le gaz dans le réservoir (1), est inférieur à un premier différentiel déterminé, le gaz contenu dans le stockage (2) source est réchauffé via l'organe (6) de réchauffage. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que le gaz contenu dans le stockage (2) source est réchauffé uniquement lorsque le différentiel de pression entre d'une part le gaz dans le stockage (2) source et, d'autre part, le gaz dans le réservoir (1), est inférieur audit premier différentiel déterminé. 5. Procédé selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que le premier différentiel déterminé est compris entre 50 et 250 bar et de préférence compris entre 100 et 200 bar. 3 0 3 2 2 5 7 11 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que, pendant le transfert de l'hydrogène du stockage source (2) vers le réservoir (1), lorsque le différentiel de pression entre d'une part le gaz dans le stockage (2) source et, d'autre part, le gaz dans le 5 réservoir (1), est supérieur à un second différentiel déterminé, le gaz contenu ou soutiré du stockage (2) source est refroidi. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que le refroidissement du gaz contenu dans le stockage (2) source diminue sa température de 10°C à 60°C et de préférence de 20°C à 40°C. 10 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le gaz dans le stockage (2) source a une pression initiale avant remplissage et avant réchauffage comprise entre 150 et 950 bar et notamment entre 250 et 850bar. 9. Dispositif de remplissage d'un réservoir (1) d'hydrogène gazeux sous 15 pression comprenant au moins un stockage (2) source contenant de l'hydrogène gazeux sous pression à une première température déterminée et à une pression déterminée, un organe (6) de réchauffage du gaz stocké dans le stockage (2) source, un circuit (3) de remplissage ayant une extrémité amont reliée au stockage (2) source et une extrémité aval raccordable de 20 façon amovible au réservoir (1) à remplir, au moins un organe (5) de régulation de la pression et/ou du débit de gaz admis à circuler dans le circuit (3) depuis le stockage (2) source vers le réservoir (1), un organe (7) électronique d'acquisition, de stockage et de traitement de données relié à l'organe (5) de régulation, relié également à l'organe (6) de réchauffage du 25 gaz stocké dans le stockage (2) source et à un capteur (8) de la pression dans le réservoir (1), l'organe (7) électronique d'acquisition, de stockage et de traitement de données étant configuré pour contrôler le débit et/ou la pression du gaz dans le circuit de remplissage, caractérisé en ce que l'organe (7) électronique d'acquisition, de stockage et de traitement de 30 données est configuré pour commander le réchauffage du gaz contenu dans le stockage (2) source à une seconde température déterminée qui est supérieure à la première température pendant au moins une partie du transfert d'hydrogène du stockage (2) source vers le réservoir (1). 10. Dispositif de remplissage selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'organe (6) de réchauffage comprend un échangeur de chaleur et/ou un circuit de fluide caloporteur en échange thermique avec le réservoir (2) source.5