Brevet FR3084135A1 — publié le 20200124

L'invention concerne une installation et un procédé de stockage et de distribution de liquide cryogénique. L'invention concerne plus particulièrement une installation de stockage et de distribution de liquide cryogénique, notamment d'hydrogène liquéfié, comprenant un réservoir cryogénique isolé thermiquement pour le stockage d'un gaz liquéfié en équilibre avec une phase gazeuse, un dispositif de réfrigération du fluide contenu dans le réservoir, le dispositif de réfrigération comprenant un circuit de fluide réfrigérant muni d'un échangeur de chaleur situé dans la partie inférieure du réservoir et un réfrigérateur de refroidissement du fluide réfrigérant. L'invention concerne notamment un dispositif de stockage de liquide cryogénique (gaz liquéfié) qui est sous refroidi et maintenu sous pression pour sa distribution. Ces conditions peuvent être intéressantes pour densifier un liquide tout en restant au-dessus de la pression atmosphérique ou à une pression suffisante pour effectuer le transfert du liquide vers un autre réservoir par différence de pression. Il est généralement malaisé de maintenir la pression du fluide dans un tel réservoir alors que la température du liquide est sous la température d'équilibre avec la vapeur à cette pression (liquide sous-refroidi). Une méthode connue pour maintenir la pression dans un tel réservoir est d'injecter du gaz chaud dans la partie gazeuse (supérieure) du réservoir (quand la pression baisse). Ce gaz est souvent du liquide prélevé dans le fond du réservoir et réchauffé (échangeur atmosphérique) avant d'être injecter dans la partie haute de celui-ci. L'inconvénient de cette méthode est qu'elle génère un apport de chaleur supplémentaire qui rentre dans le stockage et qu'il faudra ensuite compenser soit par un liquéfacteur qui alimente le stockage avec du liquide, soit via un rejet vers l'extérieur sous forme de « boil-off » (gaz de vaporisation) lorsque la pression va à nouveau augmenter. Une autre méthode connue afin de limiter la pression (quand celle-ci augmente) dans un tel réservoir est d'ajouter un échangeur de chaleur dans la partie gazeuse et/ou liquide de ce réservoir. Cet échangeur, alimenté en fluide de refroidissement, permet de refroidir et condenser les vapeurs avec une source de froid extérieure (réfrigérateur tel qu'une tête froide d'un cryo-refroidissement GiffordMac Mahon, un cycle frigorifique, . .). Cf. EP2772677A. 2 Les solutions connues ne permettent pas de maximiser les conditions et la quantité de gaz liquéfié sous refroidi. Un but de la présente invention est de pallier tout ou partie des inconvénients de l'art antérieur relevés ci-dessus. 5 A cette fin, l'installation selon l'invention, par ailleurs conforme à la définition générique qu'en donne le préambule ci-dessus, est essentiellement caractérisée en ce que le dispositif de réfrigération comprend un mécanisme de déplacement et de positionnement vertical de l'échangeur de chaleur dans le réservoir parmi une pluralité de positions verticales déterminées. 10 Par ailleurs, des modes de réalisation de l'invention peuvent comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - le fluide réfrigérant est mis en circulation dans l'échangeur de chaleur et a une température inférieure à la température du fluide dans le réservoir, - le fluide dans le réservoir est de l'hydrogène et en ce que le fluide réfrigérant 15 est de l'hélium, - l'échangeur de chaleur est positionné verticalement à une position dépendante du niveau de liquide dans le réservoir, - l'échangeur de chaleur est maintenu constamment immergé dans la phase liquide contenue dans le réservoir, 20 - l'échangeur de chaleur est maintenu à une distance déterminée de l'interface entre la phase gazeuse et la phase liquide pour assurer stratification de la phase liquide entre cette interface et l'échangeur de chaleur, - la pression dans le réservoir est maintenue constante dans un intervalle de pression déterminé et en ce que la température de la phase liquide dans le réservoir 25 est maintenue sous la température d'équilibre avec la vapeur à ladite pression déterminée, - la température du liquide dans le réservoir est maintenue sous la température d'équilibre liquide-gaz dudit fluide à la pression déterminée, - le mécanisme de déplacement et de positionnement vertical de l'échangeur 30 de chaleur dans le réservoir comprend au moins l'un parmi : un ou des flotteurs relié(s) à l'échangeur de chaleur, une portion articulée et/ou flexible du circuit située dans le réservoir, 3 - le mécanisme de déplacement et de positionnement vertical de l'échangeur de chaleur dans le réservoir comprend au moins un flotteur constitué d'une conduite du circuit alimentant l'échangeur de chaleur et un système de gonflage ou de dégonflage de ladite conduite avec un gaz tel que de l'hélium, 5 - le fluide stocké dans le réservoir est maintenu dans un état supercritique. L'invention concerne également un procédé de stockage et de distribution de liquide cryogénique, notamment de d'hydrogène liquéfié, utilisant une installation comprenant un réservoir cryogénique isolé thermiquement pour le stockage d'un gaz liquéfié en équilibre avec une phase gazeuse, un dispositif de réfrigération du 10 fluide contenu dans le réservoir, le dispositif de réfrigération comprenant un circuit de fluide réfrigérant muni d'un échangeur de chaleur situé dans la partie inférieure du réservoir et un réfrigérateur de refroidissement du fluide réfrigérant, le l'échangeur de chaleur étant déplaçable et verticalement dans le réservoir parmi une pluralité de positions verticales déterminées. 15 L'invention peut concerner également tout dispositif ou procédé alternatif comprenant toute combinaison des caractéristiques ci-dessus ou ci-dessous dans le cadre des revendications. D'autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description ci-après, faite en référence à la figure unique qui représente une vue schématique 20 et partielle illustrant la structure et le fonctionnement d'un exemple de réalisation d'une installation selon l'invention. L'installation 1 de stockage et de distribution de liquide cryogénique, notamment de d'hydrogène liquéfié, comprenant un réservoir 2 cryogénique isolé thermiquement exemple pour le stockage d'un gaz liquéfié en équilibre avec une 25 phase gazeuse. Par exemple, le réservoir est un réservoir à double enveloppe avec un vide entre les deux enveloppes. Classiquement le réservoir 2 est muni au moins d'une conduite 8 de soutirage de liquide. L'installation 1 comprend classiquement un dispositif de réfrigération du fluide contenu dans le réservoir 2. Le dispositif de réfrigération comprend un circuit 30 3 de fluide réfrigérant (notamment une boucle) muni d'un échangeur de chaleur 4 logé dans la partie inférieure du réservoir 2. Le dispositif de réfrigération comprend en outre un réfrigérateur 4 (de préférence extérieur au réservoir 4) assurant le refroidissement du fluide réfrigérant qui est mis en circulation dans le circuit 3 et 4 notamment dans l'échangeur 4 de chaleur (par exemple via une pompe oi équivalent). Selon une particularité avantageuse, le dispositif de réfrigération comprend un mécanisme 9 permettant le déplacement et de positionnement vertical de 5 l'échangeur 4 de chaleur dans le réservoir 2 parmi une pluralité de positions verticales déterminées. C'est-à-dire que l'échangeur 4 de chaleur est monté de façon mobile dans le réservoir 2. L'échangeur 4 de chaleur est disposé dans la partie basse (dans la phase liquide) du réservoir 2 et peut être positionné à une distance suffisante de l'interface 10 liquide-vapeur afin de conserver une stratification du liquide entre cette surface et l'échangeur 4 de chaleur. Cette stratification permet de garder le liquide sous-refroidi entre l'échangeur 4 de chaleur et la partie basse du réservoir tout en conservant un équilibre liquide-vapeur à l'interface gaz-liquide et donc de conserver la pression dans le réservoir 15 2. Un fluide réfrigérant plus froid que le fluide contenu dans le réservoir 2 peut être mis en circulation dans l'échangeur 4 de chaleur. De cette façon, il est possible de réduire la température du liquide stocké sous sa température d'équilibre. Dans le cas d'un stockage d'hydrogène, de l'hélium peut être utilisé comme fluide 20 réfrigérant. La quantité de liquide se trouvant sous le niveau de l'échangeur 4 de chaleur va se refroidir par convection naturelle. La partie de liquide se trouvant au-dessus de l'échangeur 4 de chaleur va se stratifier entre la température sous-refroidie et la température d'équilibre avec la phase vapeur à l'interface liquide/vapeur (cette 25 température d'équilibre dépendant de la pression dans le réservoir 2). La position verticale de l'échangeur 4 de chaleur peut être commandée automatiquement en fonction du niveau de liquide dans le réservoir 2 pour conserver uniquement une distance minimale déterminée de stratification entre l'échangeur 4 de chaleur et la surface du liquide. Par exemple cette distance peut 30 être comprise entre 15cm et plusieurs mètres et de préférence entre 20cm et un mètre. Ceci permet de maximiser le volume de liquide sous-refroidi (au niveau et en dessus de l'échangeur 4 de chaleur). 5 Par exemple, un organe 6 de contrôle comprenant un ordinateur ou un microprocesseur peut piloter et commander la position verticale de l'échangeur 4 de chaleur. Cet organe 6 de contrôle peut éventuellement contrôler également la pression et/ou la température dans le réservoir et notamment le dispositif 5 de 5 réfrigération. Pour permettre son déplacement vertical, l'échangeur 4 de chaleur 3 peut être relié au circuit 3 via des tuyauteries souples et/ou flexible afin de permettre son déplacement dans le liquide en fonction du niveau de liquide. Le positionnement de l'échangeur 4 de chaleur peut être réalisé par exemple 10 via un ou des flotteurs 7 reliés à l'échangeur 4 de chaleur. Dans le cas d'un réservoir 2 stockant de l'hydrogène, du fait de la densité de l'hydrogène liquide (environ 70 kg/m3), le flotteur 7 devra avoir une densité plus faible pour permettre sa fonction. L'hélium sous faible pression permet d'être inférieur à cette densité (entre 2 et 5 kg/m3) à cette température. Les tuyaux d'alimentation/distribution de l'échangeur 4 15 de chaleur peuvent également faire office de flotteur(s). Pour cela ces derniers peuvent avoir un diamètre et une masse optimisées dans ce but. Le fluide stocké dans le réservoir 2 peut le cas échéant être maintenu sous forme supercritique (c'est-à-dire REVENDICATIONS1. Installation de stockage et de distribution de liquide cryogénique, notamment d'hydrogène liquéfié, comprenant un réservoir (2) cryogénique isolé thermiquement pour le stockage d'un gaz liquéfié en équilibre avec une phase gazeuse, un dispositif de réfrigération du fluide contenu dans le réservoir (2), le dispositif de réfrigération comprenant un circuit (3) de fluide réfrigérant muni d'un échangeur de chaleur (4) situé dans la partie inférieure du réservoir (2) et un réfrigérateur (5) de refroidissement du fluide réfrigérant, caractérisée en ce que le dispositif de réfrigération comprend un mécanisme (7, 9) de déplacement et de positionnement vertical de l'échangeur de chaleur (4) dans le réservoir parmi une pluralité de positions verticales déterminées. 2. Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que le fluide réfrigérant est mis en circulation dans l'échangeur (4) de chaleur et a une température inférieure à la température du fluide dans le réservoir (2). 3. Installation selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que le fluide dans le réservoir (2) est de l'hydrogène et en ce que le fluide réfrigérant est de l'hélium. 4. Installation selon l'une quelconque des revendication 1 à 3, caractérisée en ce que l'échangeur (4) de chaleur est positionné verticalement à une position dépendante du niveau de liquide dans le réservoir (2). 5. Installation selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que l'échangeur de chaleur (4) est maintenu constamment immergé dans la phase liquide contenue dans le réservoir (2). 6. Installation selon l'une quelconque des revendication 1 à 5, caractérisée en ce que l'échangeur (4) de chaleur est maintenu à une distance déterminée de l'interface entre la phase gazeuse et la phase liquide pour assurer stratification de la phase liquide entre cette interface et l'échangeur (4) de chaleur. 7. Installation selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que la pression dans le réservoir (2) est maintenue constante dans un intervalle de pression déterminé et en ce que la température 7 de la phase liquide dans le réservoir (2) est maintenue sous la température d'équilibre avec la vapeur à ladite pression déterminée. 8. Installation selon la revendication 7, caractérisée en ce que la température du liquide dans le réservoir (2) est maintenue sous la température 5 d'équilibre liquide-gaz dudit fluide à la pression déterminée. 9. Installation selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que le mécanisme (7, 9) de déplacement et de positionnement vertical de l'échangeur de chaleur (4) dans le réservoir comprend au moins l'un parmi : un ou des flotteurs (7) relié(s) à l'échangeur 10 (4) de chaleur, une portion (9) articulée et/ou flexible du circuit (3) située dans le réservoir (2). 10.Installation selon la revendication 9, caractérisée en ce que le mécanisme de déplacement et de positionnement vertical de l'échangeur de chaleur (4) dans le réservoir comprend au moins un flotteur (7) constitué d'une 15 conduite du circuit (3) alimentant l'échangeur (4) de chaleur et un système de gonflage ou de dégonflage de ladite conduite avec un gaz tel que de l'hélium. 11.Installation selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisée en ce que le fluide stocké dans le réservoir (2) est maintenu dans un état supercritique. 20 12. Installation selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisée en ce que le fluide dans le réservoir (2) est de l'oxygène, de l'azote, du méthane ou du gaz naturel et en ce que le fluide réfrigérant est un fluide plus léger que le fluide contenu dans le réservoir. 13.Procédé de stockage et de distribution de liquide cryogénique, 25 notamment de d'hydrogène liquéfié, utilisant une installation comprenant un réservoir (2) cryogénique isolé thermiquement pour le stockage d'un gaz liquéfié en équilibre avec une phase gazeuse, un dispositif de réfrigération du fluide contenu dans le réservoir (2), le dispositif de réfrigération comprenant un circuit (3) de fluide réfrigérant muni d'un échangeur de chaleur (4) situé dans 30 la partie inférieure du réservoir (2) et un réfrigérateur (4) de refroidissement du fluide réfrigérant, caractérisée en ce que le l'échangeur (4) de chaleur est déplaçable et verticalement dans le réservoir (2) parmi une pluralité de positions verticales déterminées.