Brevet FR3112198A1 — publié le 20220107

Installation de réfrigération d’hydrogène à température cryogénique, et notamment pour la liquéfaction d’hydrogène, comprenant un circuit (2) d’hydrogène à refroidir comprenant une extrémité amont destinée à être reliée à une source d’hydrogène et une extrémité aval reliée à un organe de collecte de l’hydrogène refroidi, l’installation (1) de refroidissement comprenant un ensemble d’échangeur(s) (3, 4) de chaleur en échange thermique avec le circuit (2) d’hydrogène à refroidir, l’installation (1) comprenant un dispositif de refroidissement en échange thermique avec l’ensemble d’échangeur(s) (3, 4) de chaleur, ledit dispositif de refroidissement comprenant un réfrigérateur (5) à cycle de réfrigération d’un gaz de cycle un tel que l’hydrogène, au moins une partie du circuit (2) d’hydrogène, de l’ensemble d’échangeur(s) (3, 4) et du dispositif de refroidissement étant logés dans une boîte (6) froide isolée sous vide, l’installation (1) comprenant, dans la boîte (6) froide, au moins un éjecteur (8) dont l’entrée d’aspiration est reliée à la phase gazeuse d’une capacité (13) de fluide et dont l’entrée d’admission du fluide moteur est reliée à au moins l’un parmi : le gaz de cycle pressurisé du réfrigérateur (5), de l’hydrogène du circuit (2) d’hydrogène refroidi dans l’ensemble d’échangeur(s) (3, 4) de chaleur. Figure de l’abrégé : Fig. 1 Installation et procédé de réfrigération d’hydrogène L’invention concerne une installation et un procédé de réfrigération d’hydrogène L’invention concerne plus particulièrement une installation de réfrigération d’hydrogène à température cryogénique, et notamment pour la liquéfaction d’hydrogène, comprenant un circuit d’hydrogène à refroidir comprenant une extrémité amont destinée à être reliée à une source d’hydrogène et une extrémité aval reliée à un organe de collecte de l’hydrogène refroidi et/ou liquéfié, l’installation de refroidissement comprenant un ensemble d’échangeur(s) de chaleur en échange thermique avec le circuit d’hydrogène à refroidir, l’installation comprenant un dispositif de refroidissement en échange thermique avec l’ensemble d’échangeur(s) de chaleur, ledit dispositif de refroidissement comprenant un réfrigérateur à cycle de réfrigération d’un gaz de cycle dans un circuit de travail, le gaz de cycle étant l’hydrogène, le circuit de travail du réfrigérateur comprenant un organe de compression du gaz de cycle, un organe de refroidissement du gaz de cycle, un organe de détente du gaz de cycle comprenant au moins une turbine et un organe de réchauffage du gaz de cycle. Le déploiement du marché de l’hydrogène carburant pour la mobilité va faire générer de grandes capacités de liquéfaction d’hydrogène, pour une logistique sous forme liquide du produit. L’hydrogène liquide à très basses température génère, dans les phases de stockage et de chargement des camions, des gaz de vaporisation (« Boil-Off gas ») qu’il convient de recycler pour recouvrer aussi bien la molécule d’hydrogène que les frigories contenues dans cas gaz froids. Pour cela, un moyen connu est d’envoyer dans la capacité recevant le liquide produit par le liquéfacteur (stockage ou semi-remorque) un liquide sous refroidi. Une autre solution consiste à utiliser un éjecteur pour renvoyer le gaz de vaporisation vers un stockage fixe. Pour augmenter la pression des gaz de vaporisation provenant du stockage fixe et permettre leur injection dans un liquéfacteur un éjecteur peut être utilisé. Les éjecteurs permettent de pressuriser un flux à basse pression (le fluide d'aspiration) grâce à la détente d'un flux à haute pression (le fluide moteur). Le flux d’hydrogène à refroidir peut être utilisé comme un fluide moteur. Cependant, cette utilisation de la pression de l’hydrogène à refroidir diminue les possibilités de refroidissement (par détente) dudit flux pour produire un fluide encore plus froid. Un but de la présente invention est de pallier tout ou partie des inconvénients de l’art antérieur relevés ci-dessus. 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 l’installation comprenant au moins un éjecteur dont l’entrée d’admission du fluide moteur est raccordée, via un ensemble de conduite(s) et de vanne(s), au circuit de travail du réfrigérateur en aval de l’organe de détente, l’entrée d’aspiration de l’éjecteur étant raccordée à un ensemble de conduite(s) munie(s) de vanne(s) ayant une extrémité destinée à être raccordée au ciel gazeux d’au moins un réservoir mobile de transport d’hydrogène liquéfié, notamment un réservoir de transport d’hydrogène liquéfié destiné à être rempli en hydrogène liquide par l’extrémité aval du circuit d’hydrogène, la sortie de l’éjecteur étant raccordée, via un ensemble de conduite(s) et de vanne(s), au circuit de travail du réfrigérateur. Par ailleurs, des modes de réalisation de l’invention peuvent comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : l’installation comprend plusieurs éjecteurs, l’installation comprend au moins un réservoir de transport d’hydrogène liquéfié comprenant une entrée de fluide configurée pour être raccordée de façon amovible à l’extrémité aval du circuit d’hydrogène en vue d’être rempli en hydrogène refroidi, le au moins un réservoir comprenant une sortie gazeuse de gaz de vaporisation configurée pour être raccordée de façon amovible à l’entrée d’aspiration de l’éjecteur (8) via l’ensemble de conduite(s) munie(s) de vanne(s), le dispositif de refroidissement comprend un organe de pré-refroidissement en échange thermique avec une partie de l’ensemble d’échangeur(s) de chaleur, le flux de sortie de l’éjecteur a une pression comprise entre 1,25 bara et 2 bara, et de préférence entre 1,3 et 1,45 bara, le débit de fluide moteur est contrôlée en fonction de la pression de sortie de l'éjecteur, ledit débit étant régulé pour maintenir une consigne de pression constante à la sortie de l’éjecteur, le circuit de travail du réfrigérateur comprend plusieurs échangeurs de chaleur en série entre une extrémité chaude du circuit de travail dans laquelle le fluide de travail est à pression relativement haute et une extrémité relativement froide du circuit de travail dans laquelle le fluide est à un pression relativement basse, le flux de sortie de l’éjecteur étant injecté dans le circuit de travail au niveau de l’extrémité froide, le procédé comprend simultanément l’aspiration dans les entrées d’aspiration de plusieurs du gaz de vaporisation de plusieurs réservoirs mobiles de transport d’hydrogène liquéfié en utilisant comme fluide moteur des éjecteurs du gaz de travail sous pression du circuit de travail, les flux de sortie des éjecteurs étant injectés dans le circuit de travail. L’invention concerne également un procédé de réfrigération d’hydrogène à température cryogénique, notamment de liquéfaction d’hydrogène, utilisant une installation conforme à l’une quelconque des caractéristiques ci-dessus ou ci-dessous, comprenant une étape d’aspiration dans l’entrée d’aspiration de l’éjecteur du gaz de vaporisation d’un réservoir mobile de transport d’hydrogène liquéfié en utilisant comme fluide moteur de l’éjecteur du gaz de travail sous pression du circuit de travail, le flux de sortie de l’éjecteur étant injecté dans le circuit de travail. Selon d’autres particularités possibles : le gaz de vaporisation aspiré a une pression comprise entre 1,01325 et 1,5 bara, et de préférence compris entre 1,15 et 1,3 bara et une température la température de saturation de l’hydrogène et 60K, la pression du fluide moteur est comprise entre 5 et 10 bara, et de préférence comprise entre 6 et 7 bara, la température du fluide moteur étant comprise entre 28 et 35K et de préférence entre 29,3 et 30K, le flux de sortie de l’éjecteur a une pression supérieure ou égale à la pression du gaz de cycle au niveau de plus froid du circuit de travail. L’invention peut concerner également tout dispositif ou procédé de refroidissement 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 : qui représente une vue schématique et partielle illustrant un exemple de structure et de fonctionnement d’une installation de réfrigération/liquéfaction d’hydrogène selon l’invention. L’installation 1 de réfrigération d’hydrogène à température cryogénique, et notamment pour la liquéfaction d’hydrogène, comprend un circuit 2 d’hydrogène à refroidir comprenant une extrémité amont 21 destinée à être reliée à une source d’hydrogène et une extrémité aval 22 destinée à être reliée à un organe de collecte de l’hydrogène refroidi (stockage 17 liquide tampon et/ou tuyau de remplissage de réservoirs 13). L’installation 1 de refroidissement comprend un ensemble d’échangeur(s) 3, 4 de chaleur en échange thermique avec le circuit 2 d’hydrogène à refroidir. L’installation 1 comprend un dispositif de refroidissement en échange thermique avec l’ensemble d’échangeur(s) 3, 4 de chaleur, ledit dispositif de refroidissement comprenant un réfrigérateur 5 à cycle de réfrigération d’un gaz de cycle constitué d’hydrogène ou contenant de l’hydrogène (et/ou tout autre gaz approprié, par exemple l’hélium). Au moins une partie du circuit 2 d’hydrogène, de l’ensemble d’échangeur(s) 3, 4 et du dispositif de refroidissement (sa partie froide) sont de préférence logés dans une boîte froide isolée sous vide. En effet, compte tenu des niveaux de température mis en œuvre (par exemple de l’ordre de 20K) les échangeurs 3, 4 de chaleurs de liquéfaction et de (sous)refroidissement de l’hydrogène sont installés dans une enceinte closes et sous vide (c’est-à-dire à très basse pression). Le circuit de travail du réfrigérateur 5 comprend, disposés en série, un organe 6 de compression du gaz de cycle, un organe 3, 4 de refroidissement du gaz de cycle, un organe 7 de détente du gaz de cycle comprenant au moins une turbine et un organe 4, 3 de réchauffage du gaz de cycle. L’organe 6 de compression comprend par exemple deux compresseurs en série dont les entrées sont par exemple à des niveaux de pression différents. L’ensemble d’échangeur(s) 3, 4 comprend par exemple deux échangeurs de chaleur en série, par exemple des échangeurs de chaleur à contre-courant qui refroidissent et réchauffent le fluide de travail simultanément selon le sens de passage dans le circuit de travail. Comme illustré, le dispositif de refroidissement de l’installation 1 peut comprendre un organe 15 de pré-refroidissement en échange thermique avec une partie de l’ensemble d’échangeur(s) 3, 4 de chaleur, notamment le premier échangeur 3 en aval de l’organe 6 de compression. Cet organe 15 de pré-refroidissement peut utiliser par exemple un autre réfrigérateur utilisant par exemple un autre fluide par exemple de l’azote. Par exemple, cet organe 15 de pré-refroidissement permet de pré-refroidir le fluide à une température comprise entre 70 et 100K. Après ce pré-refroidissement, le réfrigérateur 5 hydrogène assure un refroidissement supplémentaire du circuit 2 jusqu’à la température cible (température de liquéfaction de l’hydrogène). Le circuit de travail du réfrigérateur 5 fait réaliser au fluide de travail un cycle thermodynamique avec une partie à relative basse pression (remontant du bas vers le haut sur la représentation schématique) et une partie à relative plus haute pression élevée (descendant du haut vers le bas sur la représentation schématique). Le fluide de travail (hydrogène) subit en particulier une détente dans au moins une turbine de l’organe de détente pour la production de froid. L’installation 1 comprend au moins un éjecteur 8 dont l’entrée d’admission du fluide moteur est raccordée, via un ensemble de conduite(s) 9 et de vanne(s) 10 (notamment vanne(s) d’isolation), au circuit de travail du réfrigérateur 5 en aval de l’organe 7 de détente notamment en aval d’une turbine de détente. L’entrée d’aspiration de l’éjecteur 8 est raccordée à un ensemble de conduite(s) 11 munie(s) de vanne(s) 12 (notamment d’isolation) et ayant une extrémité pouvant être raccordée au ciel gazeux d’au moins un réservoir 13 mobile de transport d’hydrogène liquéfié. En particulier, l’entrée d’aspiration peut être reliée fluidiquement au ciel gazeux d’un réservoir 13 de transport d’hydrogène liquéfié destiné à être rempli en hydrogène liquide par l’extrémité aval 22 du circuit 2 d’hydrogène refroidi de l’installation 1. La sortie de l’éjecteur 8 est raccordée quant à elle, via un ensemble de conduite(s) 14 et de vanne(s) 17, au circuit de travail du réfrigérateur pour pouvoir y être réinjecté. Le flux de gaz aspiré (gaz de vaporisation) des réservoirs 13 venant se raccorder au circuit 2 de fourniture d’hydrogène refroidi (liquéfié notamment) peut être compris par exemple entre 1,01325 et 1,5 bara, et de préférence entre 1,15 et 1,3 bara (pression à la sortie du réservoir 13 par exemple). La température de ce gaz peut être comprise entre la saturation et 60K. Le flux de gaz moteur de l’éjecteur 8 utilisé pour la pressurisation est une partie du gaz de travail du cycle de refroidissement à hydrogène. Ce gaz moteur est du gaz ayant de préférence traversé plusieurs échangeurs et a qui été détendu par au moins une turbine 7 de l’organe de détente. Idéalement, ce gaz utilisé comme flux moteur de l’éjecteur 8 est prélevé à la sortie de la dernière turbine (si plusieurs turbines sont en série dans le circuit de travail) et/ou de la sortie la plus froide du circuit (si plusieurs turbines 7 sont disposées en parallèle dans le circuit). La pression de ce gaz moteur est par exemple comprise entre 5 et 10 bara, et de préférence comprise entre 6 et 7 bara. La température de ce gaz moteur peut être comprise par exemple entre 28 et 35K et, de préférence entre 29,3 et 30K. Le flux de gaz à la sortie de l'éjecteur 8 dépend des performances de l’éjecteur et des caractéristiques du flux d'aspiration et du flux moteur. De préférence, la pression du flux de gaz de sortie de l’éjecteur est au moins égale à la pression du flux de fluide de travail à basse pression du cycle de refroidissement à son point (du circuit de travail) le plus froid, afin d'être recyclé (injecté). Cette pression peut être comprise par exemple entre 1,25 bara et 2 bara, et de préférence entre 1,3 et 1,45 bara. Pour cela, le débit de flux moteur provenant de la sortie de la turbine 7 qui passe par l'éjecteur 8 peut être contrôlé en fonction des conditions de pression du flux de sortie de l'éjecteur 8. Le débit peut en particulier être réglé de manière à ce que le point de consigne de la pression soit constant et légèrement supérieur à la pression du flux basse pression du fluide de travail dans le cycle de refroidissement. Bien entendu, le débit du ou des éjecteurs 8 dépend du nombre réservoirs 13 (remorques) utilisées et remplies à l’extrémité aval 22 du circuit d’d’hydrogène refroidi de l’installation. Le flux de sortie de l’éjecteur 8 doit entrer dans la boîte froide du liquéfacteur de l’installation et être mélangé au flux basse pression du fluide de travail du cycle de refroidissement du liquéfacteur. Comme illustré, ce flux de sortie de l’éjecteur 8 est injecté de préférence dans le circuit de travail avant le retour du fluide de travail vers l’organe 6 de compression (avant le passage dans les échangeurs 4, 3 assurant un réchauffage jusqu'à l'entrée du compresseur 6 basse pression). Le mélange (injection) est donc de préférence effectué à l'extrémité froide du dernier échangeur 4 du circuit de travail (au-dessus de l'échangeur à thermosiphon s'il y en a un et dans le dernier échangeur 4 en série s'il n'y a pas de thermosiphon). C’est-à-dire que le gaz de vaporisation récupéré dans le réservoir 13 est mélangé à cet endroit du circuit de travail avec l’éventuel gaz de vaporisation provenant d’un stockage 16 fixe (le cas échéant) et avec le gaz provenant de la sortie d’un thermosiphon (le cas échéant). Le gaz de vaporisation fourni par des réservoirs 13 mobiles à remplir de liquide est intermittent car il est lié à la présence de remorques 13 remplies. Par conséquent, comme illustré, le ou les éjecteurs 8 doivent de préférence pouvoir être isolés du liquéfacteur 8 et des tuyaux de chargement des remorques 13 grâce à un ensemble de vannes 10, 12, 17 d’isolation. Ces vannes devraient être fermées lorsqu'aucun gaz de vaporisation n’est à récupérer. Plusieurs réservoirs 13 peuvent être remplis simultanément dans l’installation. Ceci implique que le débit de gaz de vaporisation à récupérer peut être très variable. Cependant, les éjecteurs 8 n’ont pas un fonctionnement optimal pour de grandes plages de débit (la plage de variation acceptable pour le débit d'entrée d'un éjecteur est d'environ 75 % à 100 %). Ainsi, comme illustré plusieurs (notamment deux ou plus) éjecteurs 8 peuvent donc être agencés et raccordés en parallèle dans l’installation 1 avec des vannes respectives. Le nombre d'éjecteurs 8 recommandé est de préférence le nombre maximum de réservoirs 13 pouvant générer simultanément du gaz de vaporisation à basse pression (ce qui a lieu lorsque ce ou ces réservoirs 13 reçoivent du liquide du stockage 16 par la ligne 22. En effet, un camion peut être accueilli dans l'installation 1 sans générer ces gaz basse pression : il peut être en train d'être connecté, ou en phase de dépressurisation (en générant des gaz de vaporisation à haute pression ne nécessitant pas d'utiliser l'éjecteur). Par exemple deux ou quatre éjecteurs peuvent être prévus ou tout autre nombre en fonction de l’installation. Pour chaque éjecteur 8, les ensembles de vannes correspondants doivent pouvoir être mises en position d'ouverture ou de fermeture indépendamment, en fonction du nombre de réservoirs 13 qui génèrent du gaz de vaporisation à un moment donné. L’illustration schématique un seul réservoir 13 est raccordé et l’installation comprend deux éjecteurs 8 dont l’un est isolé (vannes fermées en noir) et un seul est utilisé (vannes ouvertes en blanc). Cette solution permet de recycler une grande quantité de flux de gaz de vaporisation et de valoriser leur température froide. Par rapport aux solutions courantes qui utilisent le flux d'hydrogène du circuit 2 à refroidir comme gaz moteur, cette solution permet d'économiser la détente de ce flux d'hydrogène pour une utilisation plus avantageuse (détente dans une turbine à liquide par exemple). L’invention permet de plus de réduire le risque d'envoyer des impuretés au stockage 13, car le gaz de vaporisation récupéré sera à nouveau purifié en rejoignant l'alimentation de l’installation 1. Installation de réfrigération d’hydrogène à température cryogénique, et notamment pour la liquéfaction d’hydrogène, comprenant un circuit (2) d’hydrogène à refroidir comprenant une extrémité amont (21) destinée à être reliée à une source d’hydrogène et une extrémité aval (22) reliée à un organe de collecte de l’hydrogène refroidi et/ou liquéfié, l’installation (1) de refroidissement comprenant un ensemble d’échangeur(s) (3, 4) de chaleur en échange thermique avec le circuit (2) d’hydrogène à refroidir, l’installation (1) comprenant un dispositif de refroidissement en échange thermique avec l’ensemble d’échangeur(s) (3, 4) de chaleur, ledit dispositif de refroidissement comprenant un réfrigérateur (5) à cycle de réfrigération d’un gaz de cycle dans un circuit de travail, le gaz de cycle étant l’hydrogène, le circuit de travail du réfrigérateur (5) comprenant un organe (6) de compression du gaz de cycle, un organe (3, 4) de refroidissement du gaz de cycle, un organe (7) de détente du gaz de cycle comprenant au moins une turbine et un organe (4, 3) de réchauffage du gaz de cycle, l’installation (1) comprenant au moins un éjecteur (8) dont l’entrée d’admission du fluide moteur est raccordée, via un ensemble de conduite(s) (9) et de vanne(s) (10), au circuit de travail du réfrigérateur (5) en aval de l’organe (7) de détente, l’entrée d’aspiration de l’éjecteur (8) étant raccordée à un ensemble de conduite(s) (11) munie(s) de vanne(s) (12) ayant une extrémité destinée à être raccordée au ciel gazeux d’au moins un réservoir (13) mobile de transport d’hydrogène liquéfié, notamment un réservoir (13) de transport d’hydrogène liquéfié destiné à être rempli en hydrogène liquide par l’extrémité aval (22) du circuit (2) d’hydrogène, la sortie de l’éjecteur (8) étant raccordée, via un ensemble de conduite(s) (14) et de vanne(s) (16), au circuit de travail du réfrigérateur. Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce qu’elle comprend plusieurs éjecteurs (8). Installation selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce qu’elle comprend au moins un réservoir (13) de transport d’hydrogène liquéfié comprenant une entrée de fluide configurée pour être raccordée de façon amovible à l’extrémité aval (22) du circuit (2) d’hydrogène en vue d’être rempli en hydrogène refroidi, le au moins un réservoir (13) comprenant une sortie gazeuse de gaz de vaporisation configurée pour être raccordée de façon amovible à l’entrée d’aspiration de l’éjecteur (8) via l’ensemble de conduite(s) (11) munie(s) de vanne(s). Installation selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que le dispositif de refroidissement comprend un organe (15) de pré-refroidissement en échange thermique avec une partie de l’ensemble d’échangeur(s) (3, 4) de chaleur. Procédé de réfrigération d’hydrogène à température cryogénique, notamment de liquéfaction d’hydrogène, utilisant une installation conforme à l’une quelconque des revendications 1 à 4, comprenant une étape d’aspiration dans l’entrée d’aspiration de l’éjecteur (8) du gaz de vaporisation d’un réservoir (13) mobile de transport d’hydrogène liquéfié en utilisant comme fluide moteur de l’éjecteur (8) du gaz de travail sous pression du circuit de travail, le flux de sortie de l’éjecteur (8) étant injecté dans le circuit de travail. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que le gaz de vaporisation aspiré a une pression comprise entre 1,01325 et 1,5 bara, et de préférence compris entre 1,15 et 1,3 bara et une température comprise entre la température de saturation de l’hydrogène et 60K. Procédé selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que la pression du fluide moteur est comprise entre 5 et 10 bara, et de préférence comprise entre 6 et 7 bara, la température du fluide moteur étant comprise entre 28 et 35K et de préférence entre 29,3 et 30K. Procédé selon l’une quelconque des revendication 5 à 7, caractérisé en ce que le flux de sortie de l’éjecteur (8) a une pression supérieure ou égale à la pression du gaz de cycle au niveau de plus froid du circuit de travail. Procédé selon l’une quelconque des revendication 5 à 8, caractérisé en ce que le flux de sortie de l’éjecteur (8) a une pression comprise entre 1,25 bara et 2 bara, et de préférence entre 1,3 et 1,45 bara. Procédé selon l’une quelconque des revendication 5 à 9, caractérisé en ce que le débit de fluide moteur est contrôlée en fonction de la pression de sortie de l'éjecteur (8), ledit débit étant régulé pour maintenir une consigne de pression constante à la sortie de l’éjecteur (8). Procédé selon l’une quelconque des revendication 5 à 10, caractérisé en ce que le circuit de travail du réfrigérateur (5) comprend plusieurs échangeurs (3, 4) de chaleur en série entre une extrémité chaude du circuit de travail dans laquelle le fluide de travail est à pression relativement haute et une extrémité relativement froide du circuit de travail dans laquelle le fluide est à un pression relativement basse, le flux de sortie de l’éjecteur (8) étant injecté dans le circuit de travail au niveau de l’extrémité froide. Procédé selon l’une quelconque des revendications 5 à 11, caractérisé en ce qu’il comprend simultanément l’aspiration dans les entrées d’aspiration de plusieurs (8) du gaz de vaporisation de plusieurs réservoirs (13) mobiles de transport d’hydrogène liquéfié en utilisant comme fluide moteur des éjecteurs (8) du gaz de travail sous pression du circuit de travail, les flux de sortie des éjecteurs (8) étant injectés dans le circuit de travail.