Brevet FR3057644A1 — publié le 20180420

L'invention concerne un procédé et un dispositif de remplissage d'un réservoir de gaz sous pression. L'invention concerne plus particulièrement un procédé de remplissage d'un réservoir de gaz sous pression jusqu'à un pression cible à partir d'au moins une 5 source de gaz sous pression reliée au réservoir via une conduite de transfert munie d'au moins une vanne, le réservoir ayant une forme cylindrique de longueur interne déterminée et de diamètre interne déterminé, l'extrémité de la conduite de transfert reliée au réservoir formant un injecteur débouchant dans le réservoir avec un diamètre d'injection déterminé, dans lequel le procédé 10 comprend une étape de transfert de gaz sous pression de la source vers le réservoir à un débit déterminé, le procédé comprenant une étape de régulation du transfert de gaz de la source vers le réservoir pour réduire l'échauffement produit dans le réservoir. Le remplissage rapide de réservoirs de gaz sous pression, notamment 15 d'hydrogène, provoque un échauffement du gaz et du réservoir. Cet échauffement doit être maîtrisé pour ne pas endommager le réservoir (en particulier en cas de réservoir composite). Des solutions connues consistent à refroidir le gaz transféré (cf. par exemple US5641005) ou à contrôler le débit de remplissage (cf. par exemple 20 FR2896028A1). Il est notamment connu de prévoir des rampes vitesses de remplissages adaptées par exemple aux conditions de remplissage (vitesse de remplissage fonction par exemple de la température ambiante et de la pression cible). L'échauffement dans le réservoir au cours du remplissage est un 25 phénomène complexe à modéliser (cf. par exemple l'article de K. Barrai, S. Pregassame, and P. Renault, "Thermal effects of fast filling hydrogen compression in refueling stations", Proceedings of 15th World Hydrogen Energy Conference, Yokohama Japan, June 2004). Ainsi, la température du gaz et du réservoir peut être très hétérogène au 30 sein du réservoir. Les inventeurs ont en particulier mis en évidence que des zones du réservoir peuvent présenter une température bien supérieure à la température moyenne du réservoir ou du gaz qui est calculée ou mesurée. 3057644 2 Une solution connue pour résoudre ce problème consiste à diminuer le débit et donc la rampe de pression pour réduire la température moyenne du gaz. Ceci augmente cependant le temps de remplissage et n'élimine pas forcément les pics de chaleur à certains endroits. En effet, dans certaines situations ceci peut même augmenter l'échauffement : en diminuant le débit, on peut augmenter les hétérogénéités et donc augmenter la température maximale du gaz. Une autre solution consiste à augmenter le refroidissement du gaz pour réduire la température moyenne du gaz. Ceci augmente significativement le coût de l'installation et le coût du gaz (l'hydrogène par exemple) fourni. Un but de la présente invention est de pallier tout ou partie des inconvénients de l'art antérieur relevés ci-dessus. A cette fin, le procédé selon l'invention, par ailleurs conforme à la définition générique qu'en donne le préambule ci-dessus, est essentiellement caractérisé en ce que l'étape de régulation du transfert de gaz comprend au moins l'un parmi : un dimensionnement du diamètre d'injection, un dimensionnement du débit de gaz transféré ; l'étape de régulation étant réalisée en fonction du ratio L/D entre la longueur et le diamètre du réservoir. Selon l'invention, cette régulation du transfert de gaz est donc adaptée en fonction de la géométrie du réservoir et permet de réduire les hétérogénéités de température dans le réservoir. En réduisant cette hétérogénéité, la température maximale atteinte par le gaz ou le réservoir est ainsi également diminuée. Les inventeurs ont en particulier constaté que ceci permet de limiter les phénomènes de stratification et d'hétérogénéité des températures du gaz au sein du réservoir. Ceci permet de remplir des réservoirs dans des conditions de sécurité accrues. Ceci peut permettre potentiellement l'optimisation des autres mesures de contrôle de la température finale du gaz dans le réservoir (comme par exemple la diminution du refroidissement du gaz). En effet, le procédé selon l'invention peut éventuellement s'appliquer en plus d'autres mesures de contrôle de la température (refroidissement du gaz, courbes de montée en pression...). Par ailleurs, des modes de réalisation de l'invention peuvent comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : 3057644 3 - lorsque le ratio L/D entre la longueur et le diamètre du réservoir est inférieur à un premier seuil déterminé compris entre deux et quatre et de préférence égal à trois, l'étape de régulation consiste à maintenir le ratio (Q/D12) entre le débit massique du gaz transféré et le carré du diamètre 5 d'injection au dessus d'un second seuil déterminé, - l'étape de régulation consistant à maintenir le ratio Q/D12 au dessus d'un second seuil déterminé comprend au moins l'un parmi : une augmentation du débit de gaz transféré, une diminution du diamètre d'injection, - l'étape de régulation du transfert de gaz est réalisée en fonction de la 10 pression cible de remplissage du réservoir, - le second seuil déterminé est fonction de la pression cible de remplissage du réservoir, - le second seuil augmente lorsque la pression cible de remplissage du réservoir augmente, 15 - le gaz est de hydrogène et lorsque la pression cible de remplissage du réservoir est comprise entre 700 et 900 bar, le second seuil est compris entre 175 et 225 kg. M-2.S-1 et de préférence égal à 200 kg. m-2.s-1 - lorsque ratio L/D entre la longueur et le diamètre du réservoir est supérieur au premier seuil déterminé, l'étape de régulation consiste à maintenir 20 le ratio Q/D12 au dessus du second seuil déterminé et en dessous d'un troisième seuil déterminé, - l'étape de régulation consistant à maintenir le ratio Q/D12 au dessus d'un second seuil déterminé et en dessous du troisième seuil déterminé comprend au moins l'un parmi : une augmentation ou une diminution du débit 25 de gaz transféré, une augmentation ou une diminution du diamètre d'injection, - lorsque la pression cible de remplissage du réservoir est comprise entre 700 et 900 bar, le troisième seuil est compris entre 1200 et 1600 kg. m-2.s1 et de préférence égal à 1400 kg. m-2.s-1, - lorsque la pression cible de remplissage du réservoir est comprise entre 30 700 et 900 bar, le troisième seuil est compris entre 1200 et 1600 kg. m-2.s-1 et de préférence égal à 1400 kg. m-2.s-1, 3057644 4 - l'étape de régulation du transfert de gaz est réalisée avant ou au début du transfert de gaz, c'est-à-dire que le dimensionnement du diamètre d'injection et/ou le dimensionnement du débit de gaz transféré est fixée avant le début du remplissage, 5 - lorsque le gaz est de l'hydrogène et la pression cible de remplissage du réservoir est comprise entre 200 et 300 bar, le second seuil est compris entre 75 et 100 kg. M-2.s-1 et de préférence égal à 85 kg. m-2.s1 - lorsque le gaz est de l'hydrogène et la pression cible de remplissage du réservoir est comprise entre 300 et 400 bar, le second seuil est compris entre 10 100 et 140 kg. M-2.S-1 et de préférence égal à 120 kg. m-2.s1 - lorsque le gaz est de l'hydrogène et la pression cible de remplissage du réservoir est comprise entre 450 et 600 bar, le second seuil est compris entre 140 et 175 kg. M-2.S-1 et de préférence égal à 160 kg. m-2.s1 - le réservoir est disposé horizontalement durant le transfert de gaz en 15 son sein via l'injecteur. L'invention concerne également un dispositif de remplissage de réservoirs de gaz sous pression jusqu'à un pression cible comprenant une source de gaz sous pression, une conduite de transfert de gaz de la source munie d'au moins une vanne et destinée à être reliée à un réservoir, l'extrémité de la conduite de 20 transfert destinée à être reliée au réservoir formant un injecteur ayant un diamètre d'injection déterminé, le dispositif comprenant un organe électronique de pilotage du remplissage assurant le contrôle de la au moins une vanne, l'organe électronique de pilotage étant configuré pour recevoir, stocker et traiter des données et notamment pour recevoir des caractéristiques 25 dimensionnelles du réservoir à remplir à savoir la longueur interne et le diamètre interne du réservoir ou le ratio L/D entre ces derniers, l'organe électronique de pilotage étant également configuré comparer le ratio L/D avec au moins un seuil et, en fonction, modifier ou signaler la nécessité de modifier au moins un paramètre de remplissage parmi : le diamètre d'injection, le débit 30 de gaz transféré en fonction du ratio. L'invention peut concerner également tout dispositif ou procédé alternatif comprenant toute combinaison des caractéristiques ci-dessus ou ci-dessous. 3057644 5 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 de côté, schématique et partielle, illustrant un exemple de structure et de fonctionnement d'un dispositif de remplissage selon 5 l'invention, - la figure 2 représente de façon schématique et partielle un exemple de fonctionnement d'un tel procédé de remplissage. Comme illustré à la figure 1, le remplissage de réservoirs 1 de gaz sous pression peut être mise en oeuvre par un dispositif (ou station) de remplissage 10 comprenant une source 2 de gaz sous pression, une conduite 3 de transfert de gaz reliée à la source 2 et munie d'au moins une vanne 4 de contrôle du débit. La conduite 3 de transfert comprend au moins une extrémité destinée à être reliée à un réservoir 1 à remplir. Classiquement, la source 2 de gaz sous pression peut comprendre au 15 moins l'un parmi : un ou plusieurs réservoirs de gaz sous pression, au moins un compresseur, une source de gaz liquéfié et un vaporiseur... L'extrémité de la conduite 3 de transfert destinée à être reliée au réservoir 1 forme ou comprend un injecteur 5 ayant un diamètre d'injection déterminé D1. Le dispositif comprend de préférence en outre un organe 6 20 électronique de pilotage du remplissage assurant le contrôle de la au moins une vanne 4 et/ou d'autres organes du dispositif de remplissage. Le dispositif est configuré ou utilisé pour remplir un réservoir 1 de gaz sous pression jusqu'à une pression cible, par exemple 250bar ou 350bar ou 500 bar ou 700bar ou plus, notamment 800 ou 900bar. 25 Le dispositif est en particulier prévu pour remplir de préférence des réservoirs 1 cylindriques en position horizontale (c'est-à-dire couchés selon leur direction longitudinale). Les réservoirs 1 ont une forme cylindrique de longueur interne déterminée L et de diamètre interne déterminé D. 30 L'extrémité de la conduite 3 de transfert est connectée au niveau d'un orifice situé à une extrémité longitudinale du réservoir 1. 3057644 6 Selon l'invention, le transfert de gaz sous pression de la source 2 et l'intérieur du réservoir 1 est réalisé à un débit Q (notamment un débit massique) déterminé. Selon l'invention, le transfert de gaz de la source 2 vers le réservoir 1 est 5 adapté pour réduire l'échauffement produit dans le réservoir 1. Cette adaptation du transfert de gaz comprend au moins l'un parmi un dimensionnement du diamètre d'injection D1, un dimensionnement du débit Q de gaz transféré et cette modification est réalisée en fonction du ratio L/D entre la longueur L et le diamètre D du réservoir 1. 10 Ainsi, ce ratio L/D peut délimiter deux types de réservoir 1, par exemple des réservoirs dits « courts » (L/D inférieur à un premier seuil S1) et des réservoirs dits « longs » (L/D supérieur au premier seuil S1). Les inventeurs ont en effet identifié que, en fonction de ce critère géométrique, il est possible d'adapter le diamètre d'injection D1 ou le débit Q de 15 gaz transféré pour diminuer avec succès les hétérogénéités de température du gaz dans le réservoir 1, c'est-à-dire de diminuer les points trop chauds lors du remplissage. Ainsi, lorsque ratio L/D entre la longueur L et le diamètre D du réservoir 1 est inférieur à un premier seuil S1 déterminé compris entre deux et quatre et 20 de préférence égal à trois (cf. réf. 11 figure 2), l'étape de régulation consiste de préférence à maintenir le ratio Q/D12 entre le débit massique Q du gaz transféré et le carré du diamètre D1 d'injection au dessus d'un second seuil S2 déterminé (cf. réf.11 figure 2). Si ce ratio Q/D12 est supérieur au second seuil S2 le remplissage F peut être réalisé sans risque d'échauffement trop 25 important (cf. réf. 12 figure 2). En effet le rapport Q/D12 = rho.u.V/4 où rho est la masse volumique du gaz et V la vitesse moyenne du gaz au niveau de l'injecteur, u étant la constante pi égale à 3,14159. Rho est tabulé pour chaque gaz en fonction de sa température et de sa 30 pression. Autrement dit, pour une température et une pression donnée, la masse volumique du gaz dépend de sa nature. Par conséquent, le rapport Q/D12 dépend aussi de la nature du gaz. 3057644 7 La limite S2 est calculée avec la valeur de vitesse V égale à 5 m/s dans les conditions de fin de remplissage et la limite S3 est calculée avec la valeur de vitesse de 100 m/s pour les conditions de début du remplissage. Les seuils S2 et S3 sont de préférence dépendant (ou fonction) de la 5 pression cible de remplissage du réservoir 1 et de préférence également de la nature du gaz. Par exemple pour du remplissage avec de l'hydrogène: - lorsque la pression cible de remplissage du réservoir 1 est comprise entre 200 et 300 bar, le second seuil S2 est compris entre 75 et 100kg. 10 M-2.S-1 et de préférence égal à 85 kg. m-2.s-1 - lorsque la pression cible de remplissage du réservoir 1 est comprise entre 300 et 400 bar, le second seuil S2 est compris entre 100 et 140 kg. m-2.S-1 et de préférence égal à 120 kg. m-2.S-1 - lorsque la pression cible de remplissage du réservoir 1 est comprise 15 entre 450 et 600 bar, le second seuil S2 est compris entre 140 et 175 kg. m-2.S-1 et de préférence égal à 160 kg. m-2.S-1 - lorsque la pression cible de remplissage du réservoir 1 est comprise entre 700 et 900 bar, le second seuil (S2) est compris entre 175 et 225 kg. M-2.S-1 et de préférence égal à 200 kg. m-2.s-1. 20 Le maintien du ratio Q/D12 au dessus d'un second seuil S2 déterminé peut être facilement réalisé en adaptant le diamètre D1 d'injection (diminution par exemple) et/ou en adaptant le débit Q massique de remplissage (augmentation par exemple) cf. réf. 13 figure 2. Ces conditions opératoires peuvent être notamment figées avant le remplissage ou modifiée avant ou 25 pendant le remplissage en vue de la géométrie des réservoirs 1 qui devront être remplis à une pression déterminée. C'est-à-dire que, en fonction de la géométrie (connue) des réservoirs 1 et éventuellement de la pression cible, le diamètre d'injection D1 et/ou la rampe de remplissage (débit massique) est (sont) adapté(s) pour satisfaire à la 30 recommandation ci-dessus (cf. réf. 13, figure 2). A noter que lorsque l'injecteur 5 pénètre à l'intérieur du réservoir 1 sur une distance L1, l'expression L/D 3D pour les réservoirs longs (cf. figure 1). 5 Pour ces réservoirs courts, les inventeurs ont mis en évidence qu'il n'y pas ou peu d'hétérogénéités horizontales de températures du fait par exemple que le jet de gaz injecté ne frappe par latéralement les parois du réservoir (en raison de l'angle et de la forme habituelle du jet de gaz des injecteurs utilisés). Les inventeurs ont constaté que dans cette configuration géométrique il 10 s'établi en revanche soit un régime de mélange turbulent, soit un régime stratifié verticalement dans le réservoir 1. Dans un régime turbulent la température est relativement bien homogène (moins de 3,5°C entre la température moyenne et la température maximale de la paroi interne pour un injecteur de 6mm de diamètre ou moins de 5,5°C pour un diamètre d'injecteur 15 de 10mm). En revanche, dans un régime stratifié verticalement on peut observer des gradients de température allant jusqu'à 25°C par exemple. Les inventeurs ont mis en évidence que la modification du diamètre d'injection et/ou du débit pour maintenir le ratio Q/D12 au dessus du second seuil S2 permet de minimiser les risques d'établissement d'un régime stratifié 20 verticalement. C'est-à-dire que selon cette recommandation il est établi un régime de mélange turbulent qui minimise les hétérogénéités de températures. Ceci va à l'encontre des préconisations de l'art antérieur qui incitaient au contraire à diminuer le débit de remplissage pour limiter l'échauffement. Lorsque le ratio L/D est supérieur au premier seuil S1, l'étape de 25 régulation consiste de préférence à maintenir le ratio Q/D12 au dessus du second seuil S2 déterminé et en dessous d'un troisième seuil S3 déterminé (cf. réf. 14 figure 2). Comme précédemment, l'étape de régulation peut comprendre au moins l'un parmi : une augmentation ou une diminution du débit Q de gaz transféré, 30 une augmentation ou une diminution du diamètre d'injection D1 cf. réf. 15 figure 2. Lorsque cette recommandation est satisfaite le remplissage F peut être réalisé sans risque 'échauffement trop important (cf. réf. 16 figure 2). 3057644 9 Les inventeurs ont mis en évidence que les régulations ci-dessus permettent de contrôler le régime gazeux dans le réservoir long en cours de remplissage. En particulier, selon l'invention les régimes de stratifications verticaux et horizontaux sont diminués. C'est-à-dire que les hétérogénéités de 5 températures sont également réduites pour les réservoirs longs via cette régulation. Ainsi, dans le cas de réservoirs longs (L/D>S1 ou (L-L1)/D>S1 il est possible de définir une plage de ratio Q/D12 qui permet de réduire les hétérogénéités de température en cours de remplissage. 10 Comme précédemment, le troisième seuil déterminé S3 est de préférence dépendant (ou fonction) de la pression cible de remplissage du réservoir 1 et de préférence également de la nature du gaz. Par exemple pour du remplissage avec de l'hydrogène: - lorsque la pression cible de remplissage du réservoir 1 est comprise 15 entre 200 et 300 bar, le troisième seuil S3 est compris entre 600 et 800kg. M-2.S-1 et de préférence égal à environ 715 kg. m-2.s1 - lorsque la pression cible de remplissage du réservoir 1 est comprise entre 300 et 400 bar, le troisième seuil S3 est compris entre 800 et 1000kg. M-2.S-1 et de préférence égal à 900 kg. m-2.s1 20 - lorsque la pression cible de remplissage du réservoir 1 est comprise entre 450 et 600 bar, le troisième seuil S3 est compris entre 1000 et 1300kg. M-2.S-1 et de préférence égal à 1150 kg. m-2.s1 - lorsque la pression cible de remplissage du réservoir 1 est comprise entre 700 et 900 bar, le troisième seuil S3 est compris entre 1300 et 25 1500 kg. M-2.S-1 et de préférence égal à 1400 kg. m-2.s-1. Ainsi, dans un mode de réalisé préféré, lorsqu'il est prévu le remplissage de réservoirs, selon la géométrie des réservoirs (courts ou longs) et la pression cible de remplissage, le ratio Q/D12 est maintenu au-dessus (et éventuellement en-dessous pour S3) des seuils définis ci-dessus. Ceci est réalisé en 30 prédéfinissant le diamètre d'injection et/ou en adaptant le débit massique de remplissage. Ceci réduit les problèmes d'échauffement en réduisant 3057644 10 l'hétérogénéité de la température du gaz et du réservoir au cours du remplissage. Les calculs pour respecter ces conditions opératoires sont relativement simples et peuvent être aisément réalisées par un calculateur ou un ordinateur 5 pour prédéfinir ou adapter les conditions opératoires d'une station de remplissage. Dans le cas par exemple du remplissage avec de l'hydrogène à 700bar d'un réservoir court (L-Li)/D REVENDICATIONS1. Procédé de remplissage d'un réservoir (1) de gaz sous pression jusqu'à un pression cible à partir d'au moins une source (2) de gaz sous pression reliée au réservoir (1) via une conduite (3) de transfert munie d'au moins une vanne (4), le réservoir (1) ayant une forme cylindrique de longueur interne déterminée (L) et de diamètre interne déterminé (D), l'extrémité de la conduite (3) de transfert reliée au réservoir formant un injecteur (5) débouchant dans le réservoir avec un diamètre d'injection déterminé (D1), dans lequel le procédé comprend une étape de transfert de gaz sous pression de la source (2) vers le réservoir à un débit (Q) déterminé, le procédé comprenant une étape de régulation du transfert de gaz de la source (2) vers le réservoir (1) pour réduire l'échauffement produit dans le réservoir (1), caractérisé en ce que l'étape de régulation du transfert de gaz comprend au moins l'un parmi : un dimensionnement du diamètre d'injection (D1), un dimensionnement du débit (Q) de gaz transféré ; l'étape de régulation étant réalisée en fonction du ratio L/D entre la longueur (L) et le diamètre (D) du réservoir. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, lorsque le ratio L/D entre la longueur (L) et le diamètre (D) du réservoir est inférieur à un premier seuil (S1) déterminé compris entre deux et quatre et de préférence égal à trois, l'étape de régulation consiste à maintenir le ratio (Q/D12) entre le débit massique (Q) du gaz transféré et le carré du diamètre (D1) d'injection au dessus d'un second seuil (S2) déterminé. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'étape de régulation consistant à maintenir le ratio (Q/D12) au dessus d'un second seuil (S2) déterminé comprend au moins l'un parmi : une augmentation du débit (Q) de gaz transféré, une diminution du diamètre d'injection (D1). 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'étape de régulation du transfert de gaz est réalisée en fonction de la pression cible de remplissage du réservoir (1). 3057644 13 5. Procédé selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que le second seuil (S2) déterminé est fonction de la pression cible de remplissage du réservoir (1). 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que le second 5 seuil (S2) augmente lorsque la pression cible de remplissage du réservoir (1) augmente. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 5 ou 6, caractérisé en ce que le gaz est de hydrogène et lorsque la pression cible de remplissage du réservoir (1) est comprise entre 700 et 900 bar, le 10 second seuil (S2) est compris entre 175 et 225 kg. M-2.S-1 et de préférence égal à 200 kg. m-2.s-1. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 3 à 7, caractérisé en ce que, lorsque ratio (L/D) entre la longueur (L) et le diamètre (D) du réservoir est supérieur au premier seuil (S1) déterminé, l'étape de 15 régulation consiste à maintenir le ratio (Q/D12) au dessus du second seuil (S2) déterminé et en dessous d'un troisième seuil (S3) déterminé. 9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'étape de régulation consistant à maintenir le ratio (Q/D12) au dessus d'un second seuil (S2) déterminé et en dessous du troisième seuil (S3) déterminé 20 comprend au moins l'un parmi : une augmentation ou une diminution du débit (Q) de gaz transféré, une augmentation ou une diminution du diamètre d'injection (D1). 10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que lorsque la pression cible de remplissage du réservoir (1) est comprise 25 entre 700 et 900 bar, le troisième seuil (S3) est compris entre 1200 et 1600 kg. M-2.S-1 et de préférence égal à 1400 kg. m-2.s1. 11. Dispositif de remplissage de réservoirs (1) de gaz sous pression jusqu'à un pression cible comprenant une source (2) de gaz sous pression, une conduite (3) de transfert de gaz de la source munie d'au 30 moins une vanne (4) et destinée à être reliée à un réservoir (1), l'extrémité de la conduite (3) de transfert destinée à être reliée au réservoir formant un injecteur (5) ayant un diamètre d'injection déterminé (D1), le dispositif 3057644 14 comprenant un organe (6) électronique de pilotage du remplissage assurant le contrôle de la au moins une vanne (4), l'organe (6) électronique de pilotage étant configuré pour recevoir, stocker et traiter des données et notamment pour recevoir des caractéristiques 5 dimensionnelles du réservoir (1) à remplir à savoir la longueur (L) et le diamètre (D) du réservoir ou le ratio L/D entre ces derniers, l'organe (6) électronique de pilotage étant également configuré comparer le ratio L/D avec au moins un seuil (S1) et, en fonction, modifier ou signaler la nécessité de modifier au moins un paramètre de remplissage parmi : le 10 diamètre d'injection (D1), le débit (Q) de gaz transféré en fonction du ratio.