Brevet FR3053432A1 — publié le 20180105

Procédé et système pour calculer en temps réel la quantité d'énergie transportée dans une cuve de gaz naturel liquéfié pressurisée et non réfrigérée. La présente invention se rapporte de manière générale à un procédé et un système permettant de calculer en temps réel la quantité d'énergie chimique résiduelle dans une cuve pressurisée et non réfrigérée, contenant du gaz naturel liquéfié (GNL), sans avoir à déterminer la composition du GNL. Le GNL carburant est une alternative simple et efficace aux combustibles classiques, tant du point de vue de l'émission de CO2, de particules polluantes que de la masse volumique énergétique. De plus en plus d'acteurs se tournent vers son utilisation, comme les transporteurs routiers, maritimes ou ferroviaires. Cependant, contrairement aux carburants classiques, la masse volumique énergétique volumique du GNL, c'est-à-dire l'énergie contenue par unité de volume de GNL, n'est pas constante. Ceci s'explique par deux phénomènes distincts. Premièrement, la température du GNL va augmenter tout au long de son stockage dans une cuve pressurisée et non réfrigérée à cause des entrées de chaleur résiduelles. Cette élévation de température va alors engendrer une dilatation thermique du fluide (pouvant aller jusqu'à plus de 20% d'augmentation de volume) et donc une baisse de sa masse volumique énergétique. Le deuxième phénomène expliquant la variation de masse volumique énergétique du GNL est la variation de sa composition. Le GNL n'est pas un produit raffiné, donc sa composition en hydrocarbures peut varier en fonction des gisements exploités. La variabilité de la masse volumique énergétique volumique du GNL stocké dans un réservoir non réfrigéré peut s'avérer problématique dans des systèmes nécessitant un suivi fin de la consommation en carburant. Typiquement, dans le cas de camions 3053432 2 roulant au GNL, on peut observer, pour un même réservoir contenant 600 L de GNL, une différence de masse volumique énergétique volumique du GNL de l'ordre de 15 à 20% pour une composition de GNL identique, selon que le GNL est lourd et 5 froid ou qu'il est léger et chaud. Cela se traduit en pratique par une centaine de kilomètres de différence sur le kilométrage parcouru, pour une même quantité de GNL introduite au départ, comme illustré dans l'exemple comparatif. Actuellement aucune solution n'existe pour informer en 10 temps réel l'opérateur d'une cuve pressurisée de l'énergie restante contenue dans la cuve de GNL. Les seules informations à disposition de l'opérateur sont la pression du ciel gazeux, la température du GNL (dans le meilleur des cas), ainsi que le niveau de remplissage de la cuve. 15 Généralement lors du remplissage de la cuve par le fournisseur de carburant, un calcul d'énergie est réalisé conformément à la norme internationale ISO 6976.1995 à partir de la dernière composition de GNL connue (et donnée par le fournisseur) et de la masse de GNL transférée. Ce calcul sert 20 de référence à la transaction financière. Ainsi, par ce calcul à la température de combustion du GNL, le pouvoir calorifique supérieure PCSmass du GNL est déterminé, selon l'équation (1), en faisant l'hypothèse que le GNL est essentiellement constitué de méthane, d'éthane, de propane, d'isobutane, de n- 25 butane, d'iso-pentane, de n-pentane et d'azote : (1) PCS mass(Te) =1( M ).PCS mass (Te) " Où : - PCSmass représente le pouvoir calorifique du GNL, - Tc la température de combustion à laquelle le PCS est calculé, 30 - xj la fraction molaire du composant j dans le mélange, - Mi la masse molaire du composant j, 3053432 3 - M la masse molaire du GNL, donnée par la norme NF EN ISO 6976, et - PCSmassj le pouvoir calorifique supérieur du composant j donnée par les abaques de la ISO 5 6976.1995. Toutefois, ce calcul dépend de la composition du GNL. Or, cette composition peut s'avérer complexe à déterminer. En effet, l'installation d'un chromatographe est nécessaire. L'absence d'informations en temps réel sur l'énergie 10 contenue dans la cuve est problématique pour plusieurs raisons : Gestion de l'approvisionnement : actuellement, la gestion de l'approvisionnement en GNL de certaines cuves (notamment celles des camions) est uniquement 15 basée sur le volume de liquide restant dans le réservoir. Or une gestion fondée sur l'énergie demandée par les unités connectées à la cuve serait plus cohérente, car c'est la donnée dont on a besoin, par exemple pour estimer le nombre de kilomètres que 20 l'on peut encore parcourir ; - Evitement des pénuries et des pannes : selon la masse volumique énergétique du GNL, la consommation volumique des unités peut varier brusquement à la hausse car une plus grande quantité de GNL est alors 25 nécessaire pour obtenir la même quantité d'énergie. Cette variation non prévue par les opérateurs pourrait provoquer une pénurie en carburant non anticipée et donc une panne ; - Formation des opérateurs : le marché du GNL carburant 30 est de taille relativement faible. Les acteurs du marché sont en grande partie des professionnels ayant reçu une formation adaptée à la manipulation de GNL et aux bonnes pratiques. Néanmoins, si le marché venait à s'accroître rapidement, des acteurs moins formés 3053432 4 devraient être amenés à manipuler et/ou gérer la consommation de GNL. La connaissance de la quantité d'énergie contenue dans la cuve pourrait permettre de calculer simplement des grandeurs facilement 5 compréhensibles par ces opérateurs (par exemple le kilométrage restant). Dans cette optique, pour assurer le développement du GNL carburant, le déposant a mis en place une solution permettant de mieux prévoir son contenu énergétique en temps réel 10 uniquement à partir de paramètres thermodynamiques mesurés à l'intérieur de la cuve (masse volumique de GNL, température et niveau de la couche de GNL dans la cuve), et ce sans connaître la composition du GNL contenu dans la cuve. En particulier, la présente invention a pour objet un 15 procédé pour calculer en temps réel l'énergie chimique résiduelle E contenue dans une cuve pressurisée et non réfrigérée, définie par sa forme et ses dimensions et contenant une couche de gaz naturel à l'état liquide (GNL), ladite couche de GNL étant définie à un instant t donné, par 20 sa température T, sa masse volumique p, et son niveau h dans ladite cuve ; ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il consiste en un algorithme comportant, à un instant t donné, les étapes suivantes : 25 A. Acquisition des paramètres caractéristiques de la couche de GNL par mesure : - du niveau h de la couche de GNL dans la cuve, à l'aide d'un capteur de niveau ; - de la température T à l'aide d'un capteur de 30 température ; et - de la masse volumique p à l'aide d'un capteur de masse volumique ; B. Détermination de la masse totale mt du GNL contenu dans la cuve ; 3053432 5 C. Calcul du pouvoir calorifique supérieur massique PCSmass du GNL à l'aide d'une fonction f prenant en paramètres la température et la masse volumique du liquide selon la formule : PCSmass = f(T,P) 5 D. Calcul de l'énergie chimique résiduelle E selon la formule : E = PCSmass * mt Par pouvoir calorifique supérieur massique du gaz naturel, 10 on entend au sens de la présente invention, la quantité de chaleur délivrée par la combustion complète d'une unité de masse du gaz naturel concerné contenue dans l'air à une pression constante et une température données. Il s'exprime en quantité de chaleur par unité de masse de combustible (dans le 15 cadre de la présente invention en kWh/m3) A partir d'informations d'entrée telles que la forme et la dimension de la cuve, la température, le niveau de la couche de GNL et la masse volumique du GNL, l'algorithme du procédé selon l'invention permet de calculer la quantité réelle 20 d'énergie chimique résiduelle contenue dans une cuve quelconque de manière instantanée. En outre, la mise en place de ce procédé est simple car il ne nécessite pas de déterminer la composition du GNL, ce qui nécessiterait l'utilisation d'un chromatographe ou d'un 25 calorimètre pour déterminer le PCSmass du GNL. En effet, usuellement, on calcule le PCS massique d'un GNL en fonction de sa composition, généralement en faisant l'approximation qu'il est composé uniquement de méthane, d'éthane, de propane, d'isobutane, de n-butane, d'iso-pentane, de n-pentane et 30 d'azote). Avec le procédé selon l'invention l'erreur commise en ne se fondant pas sur la composition exacte du GNL est au 3053432 6 maximum de l'ordre de 3% : c'est la différence constatée entre le PCSmass d'un GNL lourd (contenant plus de 10% d'hydrocarbures autres que le méthane) et le PCSmass d'un GNL léger (contenant plus de 99% de méthane pur) à la même température que celle de 5 la composition concernée. Par comparaison, l'erreur qui serait commise avec un procédé différent de l'invention pour déterminer le PCSmass du GNL peut rapidement atteindre une valeur de l'ordre de 20% si le PCSmass du GNL est déterminé à une mauvaise température, y 10 compris et même si composition est correcte. Avantageusement, ledit algorithme peut être soit réitéré à la demande par un opérateur utilisant ladite cuve, soit réalisé de manière automatique, dès qu'un intervalle de temps At donné s'est écoulé, cet intervalle pouvant être par exemple 15 de l'ordre de la seconde ou le cas échéant défini de façon optimale pour tenir compte des délais de latence fonction de la technologie de capteurs utilisée. La détermination de la masse totale de GNL peut être réalisée de différentes manières. 20 Selon un premier mode de détermination, la masse totale mt de GNL contenu dans la cuve peut être avantageusement faite par mesure directe à l'aide d'une balance ou de jauges de contrainte. Selon un autre mode de réalisation avantageux, la 25 détermination de la masse totale mt de GNL contenu dans la cuve peut être réalisée par un calcul selon la formule : mt = P * 9 (h) où : - h est le niveau de la couche de GNL dans la cuve, - p la masse volumique du GNL, et 30 - g est une fonction liée à la forme de la cuve, donnant une valeur homogène à un volume. Ce mode de détermination de la masse totale mt pourra notamment être utilisé dans le cas où la mesure directe de la 3053432 7 masse est compliquée à implémenter sur la cuve, par exemple quand celle-ci est en mouvement lors de la mesure. Avantageusement, la fonction f reliant le pouvoir calorifique supérieur massique PCSmass aux paramètres T et p 5 peut être de la forme : f (T, p) = A(T) + B * p où : - A est une valeur constante pour une température donnée ; - B est une constante indépendante de la composition. 10 Les valeurs des deux constantes présentes dans la fonction f sont définies dans des publications métier, telles que le LNG Industry magazine 2014, ou dans la littérature scientifique. La présente invention a aussi pour objet un système pour 15 calculer en temps réel, selon le procédé de l'invention, l'énergie chimique résiduelle E contenue dans une cuve pressurisée définie par sa forme et ses dimensions et contenant une couche de gaz naturel à l'état liquide (GNL), ladite couche de GNL étant définie à un instant t donné, par 20 sa température T, sa masse volumique p, et son niveau h dans ladite cuve ; ledit système étant caractérisé en ce qu'il comporte : - un calculateur destiné à être connecté à des capteurs de niveau, de température, et de masse volumique dont 25 est munie ladite cuve, ledit calculateur étant apte à exécuter l'algorithme du procédé selon l'invention, - une interface IHM interagissant avec ledit calculateur, pour remonter à un opérateur la quantité d'énergie chimique résiduelle obtenue par 30 l'algorithme du procédé tel que défini selon l'invention. Par interface IHM, on entend, au sens de la présente invention, une interface Homme Machine permettant à un 3053432 8 utilisateur de visualiser ou d'être notifié par un signal sonore ou mécanique quelconque l'information de la quantité d'énergie restante, en vue de prendre les décisions d'action appropriées. 5 A titre d'interface IHM utilisable dans le cadre de la présente invention, on peut notamment citer les tableaux de bord de véhicules, les claviers d'ordinateur, les voyants LED, les écrans tactiles et les tablettes, les haut-parleurs, etc. Ce système (qui est illustré sur la figure 2 ci-après) 10 permet de rendre facilement accessible à un opérateur la valeur de la quantité d'énergie chimique résiduelle contenu dans la cuve, et ce, même si celui-ci n'a pas reçu de formation adaptée à la manipulation du GNL. Il permet aussi de fournir cette valeur à un système tiers, tel qu'un ordinateur 15 de bord. Avantageusement, le système peut comprendre en outre une balance ou des jauges de contrainte afin de mesurer directement la masse totale du GNL contenu dans la cuve. Enfin, la présente invention a encore pour objet un 20 véhicule comprenant une cuve pressurisée contenant une couche de gaz naturel à l'état liquide et étant munie de capteurs de niveau, de température, et de masse volumique, ledit véhicule étant caractérisé en ce qu'il comporte en outre un système selon l'invention. 25 Grâce au système selon l'invention, ce véhicule est facilement utilisable par un opérateur ne possédant pas de formation poussée sur la manipulation du GNL. En effet, ce système permet soit d'afficher la valeur de l'énergie restante dans la cuve soit de transmettre la valeur de l'énergie 30 résiduelle à un ordinateur qui peut alors en déduire le nombre de kilomètre restant avant qu'un nouveau remplissage de la cuve ne soit nécessaire. D'autres avantages et particularités de la présente invention résulteront de la description qui va suivre, donnée 3053432 9 à titre d'exemple non limitatif et faite en référence aux figures annexées : - La figure 1 montre le résultat de plusieurs mesures de pouvoir calorifique du GNL en fonction de la 5 masse volumique du gaz naturel liquide pour une température et une composition donnée ; - La figure 2 présente le schéma d'un mode de réalisation particulier du système de mesure selon l'invention ; 10 - La figure 3 présente le schéma d'un exemple de cuve pressurisée et non réfrigérée utilisable dans le cadre de la présente invention (cas d'une cuve cylindrique et horizontale), sur lequel sont représentés les différents paramètres permettant de 15 déterminer la fonction g(h) permettant le calcul de la masse de GNL contenue dans cette cuve. - La figure 4 présente le schéma d'un exemple de cuve pressurisée et non réfrigérée utilisable dans le cadre de la présente invention (cas d'une cuve 20 sphérique), sur lequel sont représentés les différents paramètres permettant de déterminer la fonction g(h) permettant le calcul de la masse de GNL contenue dans cette cuve. - Les figures 5 à 7 sont des captures d'écrans de 25 tableaux de bord d'un véhicule transportant chacun une cuve de GNL cylindrique et horizontale, montrant les données d'entrée servant au calcul de l'énergie chimique résiduelle E selon le procédé de l'invention, ainsi que le résultat de ce calcul. 30 La figure 1 montre le résultat d'un ensemble de mesures de pouvoir calorifique supérieur faites pour différentes valeurs de masse volumique de GNL à une température donnée (-160°C) Ces points de mesure peuvent être reliés de façon satisfaisante (avec un coefficient de corrélation R2=0.957) par 3053432 10 une droite de régression qui, dans ce cas particulier à 160°C, a pour équationf(p) = 0.0283p-0.7791. Cette équation f peut donc être utilisée comme fonction de corrélation pour déterminer le PCSmass du GNL lorsque celui-ci est à la 5 température de -160°C. La figure 2 représente le schéma simplifié d'un mode de réalisation particulier de l'invention dans le cas où la cuve 1 est cylindrique et verticale. Lorsqu'une mesure est effectuée, ce qui peut être fait en continu, après qu'un 10 intervalle de temps At se soit écoulé ou après un ordre de l'opérateur 7, les capteurs de masse volumique 4, de température 3 et de niveau 2 présents dans la cuve relèvent les valeurs de température du liquide, de masse volumique ainsi que le niveau de ce liquide dans la cuve. Ces 15 informations sont ensuite envoyées au calculateur 5 dans lequel l'opérateur 7 a préalablement renseigné, via une interface homme machine (IHM) 6, la forme de la cuve 1 ainsi que ses dimensions caractéristiques, dans ce cas particulier son rayon. Cela permet au calculateur 5 de définir la fonction 20 g(h) utilisée pour la détermination de la masse totale mt de GNL contenu dans la cuve. La figure 3 présente le schéma d'une cuve cylindrique et placée horizontalement. Dans ce cas, le calcul du volume d'une couche de GNL dans cette cuve s'apparente à un calcul d'aire 25 d'un segment de disque. La fonction g(h) est alors : - g(h) = (R2 x cos-1( R R h) (R - h) x -\/(R2 - (R - h)2) x L Si la cuve est placée verticalement, g(h) est alors simplement g(h) = ir X R2 x h 30 La figure 4 présente une cuve sphérique. Dans ce cas, le calcul du volume d'une couche de GNL dans cette cuve 3053432 11 s'apparente à un calcul de calotte sphérique. La fonction g(h) est alors : Vh = TC X (2R - h)2 x 3 A partir de ces informations, le calculateur 5 calcule 5 alors la masse totale mt de GNL contenu dans la cuve 1 et la valeur du pouvoir calorifique supérieure PCM -ma s s du GNL, ces valeurs permettant ensuite au calculateur d'obtenir la valeur de l'énergie résiduelle E contenue dans la cuve au moment de la mesure. La valeur de l'énergie résiduelle E peut ensuite 10 être fournie à l'opérateur via l'IHM 6 ou être retraitée afin d'obtenir des informations facilement compréhensibles, telles que le kilométrage restant. L'invention est illustrée plus en détails dans les exemples ci-après. EXEMPLES EXEMPLE 1 (COMPARATIF) 20 Cet exemple illustre la variabilité de la masse volumique énergétique volumique du GNL stocké dans un réservoir non réfrigéré. Pour cela, on détermine, par calcul à partir de l'équation (1) de la norme ISO 6976 :1995, l'énergie chimique résiduelle 25 E dans un réservoir contenant 600 L (soit 0,6 m3) de GNL dans le cas d'un GNL lourd et froid (cas a) : équilibre à 3 bars) et dans le cas d'un GNL de même composition mais léger et chaud (cas b) : équilibre à 14 bars). (R + h) 15 30 3053432 12 Cas a) d'un GNL lourd et froid (équilibre à 3 bars) On part de l'hypothèse que le GNL a la composition suivante, indiquée ci-après dans le tableau 1. 5 Tableau 1 Composé Part du composé dans le GNL en pourcentages molaires méthane 88,034 éthane 8,243 propane 2,097 i-butane 0,294 n-butane 0,407 azote 0,925 Conditions de combustion : 10 o Température de combustion Tc = 0°C o Pression : 1.01325 bar PCS massique (Tc)= 14,99 kWh/kg, calculé selon l'équation norme ISO 6976 :1995 Température du GNL T = -147,07°C 15 Masse volumique = 443,7153 kg/m3 E = 0,6 * densité * PCSmassique = 3990kWh Cas b) d'un GNL léger et chaud (équilibre à 14 bars) 20 Le GNL a la même composition que celle donnée dans le tableau 2 ci-après. 3053432 13 Tableau 2 Composé Part du composé dans le GNL en pourcentages molaires méthane 96,367 éthane 2,623 propane 0,689 i-butane 0,17 n-butane 0,15 azote 0,01 5 - Condition de combustion : o Température de combustion Tc = 0°C o Pression : 1.01325 bar - PCS massique(Tc) = 15,37 kWh/kg calculé selon l'équation norme ISO 6976 :1995 10 - Température du GNL T = -112,5°C - Masse volumique = 355.65 kg/m3 E = 0.6 * densité * PCSmassique = 3279 kWh On constate donc une différence de plus de 17 % entre les 15 valeurs d'énergie E calculées respectivement dans les cas a) et b). En d'autres termes, pour un même volume initial de GNL de 600 litres, cette différence d'énergie peut conduire à une centaine de kilomètres parcourus en plus si le GNL introduit dans le réservoir est froid et lourd (cas a)), par rapport au 20 kilométrage parcouru dans le cas b). 3053432 14 EXEMPLE 2 (SELON L'INVENTION) Les figures 5 à 7 sont des captures d'écrans de tableaux de bord d'un véhicule transportant chacun une cuve de GNL 5 cylindrique et horizontale, montrant les données d'entrée servant au calcul de l'énergie chimique résiduelle E selon le procédé de l'invention, ainsi que le résultat de ce calcul. En particulier, la figure 5 est une capture d'écran d'un tableau bord montrant les données d'entrée spécifiques à la 10 cuve : - Forme : cylindre, disposé horizontalement dans le véhicule le transportant ; - Dimensions : o longueur: 1,2 m ; 15 o diamètre: 0,7 m La figure 6 est une capture d'écran d'un tableau bord montrant les données d'entrée spécifiques à la couche de GNL : - température T : -152,2°C ; - masse volumique p: 420,2 kg/m3 ; 20 - niveau h : 0,501 m. REVENDICATIONS1. Procédé pour calculer en temps réel l'énergie chimique résiduelle E contenue dans une cuve pressurisée (1) définie par sa forme et ses dimensions et contenant une couche de gaz naturel à l'état liquide (GNL), ladite couche de GNL étant définie à un instant t donné, par sa température T, sa masse volumique p, et son niveau h dans ladite cuve ; ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il consiste en 10 un algorithme comportant, à un instant t donné, les étapes suivantes : A. Acquisition des paramètres caractéristiques de la couche de GNL par mesure : - du niveau h de la couche de GNL dans la cuve, à 15 l'aide d'un capteur de niveau (2) - de la température T à l'aide d'un capteur de température (3) ; et - de la masse volumique p à l'aide d'un capteur de masse volumique (4) ; 20 B. Détermination de la masse totale mt du GNL contenu dans la cuve (1) ; C. Calcul du pouvoir calorifique supérieur massique PCSmass du GNL à l'aide d'une fonction f prenant en paramètres la température et la masse volumique du 25 liquide selon la formule : PCSmass = f(T, p) D. Calcul de l'énergie chimique résiduelle E selon la formule : E = PCSmass * mt 30 3053432 16 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel : - soit ledit algorithme est réitéré à la demande par un opérateur (7) utilisant ladite cuve (1) ; 5 - soit ledit algorithme est réalisé de manière automatique, dès qu'un intervalle de temps At donné s'est écoulé. 3. Procédé selon les revendications 1 ou 2, dans lequel 10 la détermination de la masse totale mt de GNL contenu dans la cuve (1) est réalisée par mesure directe à l'aide d'une balance ou de jauges de contrainte. 4. Procédé selon les revendications 1 ou 2, dans lequel 15 la détermination de la masse totale mt de GNL contenu dans la cuve (1) est réalisée par un calcul selon la formule : nit = P * 9(h) où : 20 h est le niveau de la couche de GNL dans la cuve, p la masse volumique du GNL, et g est une fonction liée à la forme de la cuve. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 25 4, dans lequel la fonction f reliant le pouvoir calorifique supérieur massique PCSmass aux paramètres T et p est de la forme : f (T, p) = A(T) + B * p où : - A est une valeur constante pour une température 30 donnée B est une constante indépendante de la composition. 3053432 17 6. Système pour calculer en temps réel, selon le procédé tel que défini selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, l'énergie chimique résiduelle E contenue dans une cuve pressurisée (1) définie par sa forme et ses dimensions et 5 contenant une couche de gaz naturel à l'état liquide (GNL), ladite couche de GNL étant définie à un instant t donné, par sa température T, sa masse volumique p, et son niveau h dans ladite cuve ; ledit système étant caractérisé en ce qu'il comporte : - un calculateur (5) destiné à être connecté à des capteurs de niveau (2), de température (3), et de masse volumique (4) dont est munie ladite cuve (1), ledit calculateur (5) étant apte à exécuter l'algorithme du procédé tel que défini selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, - une interface IHM (6) interagissant avec ledit calculateur (5), pour remonter à un opérateur, la quantité d'énergie chimique résiduelle obtenue par l'algorithme du procédé tel que défini selon l'une quelconque des revendications 1 à 5. 7. Système selon la revendication 6 comprenant en outre une balance ou des jauges de contrainte afin de mesurer directement la masse totale du GNL contenu dans la cuve. 8. Véhicule comprenant une cuve pressurisée (1) contenant une couche de gaz naturel à l'état liquide et étant munie de capteurs de niveau (2), de température (3) et de masse volumique (4), ledit véhicule étant caractérisé en ce qu'il comporte en outre un système tel que défini selon les revendications 6 ou 7.