Brevet FR3122487A1 — publié le 20221104

TITRE : DISPOSITIF ET PROCÉDÉ DE REFROIDISSEMENT D’UN FLUX D’UN FLUIDE CIBLE ET UTILISATION ASSOCIÉE Le dispositif (100) de refroidissement d’un flux (101) d’un fluide cible, comporte : - un premier échangeur (105) de chaleur configuré pour refroidir un fluide (110) réfrigérant intermédiaire par échange thermique avec un flux de dioxygène (115) détendu, - un circuit (120) fermé intermédiaire de transport du fluide réfrigérant intermédiaire depuis le premier échangeur de chaleur vers un deuxième échangeur (125) de chaleur, - un moyen (130) de compression du fluide réfrigérant intermédiaire le long du circuit fermé intermédiaire, - le fluide réfrigérant intermédiaire, configuré pour rester à l’état liquide ou supercritique au moins lors de la traversée du moyen de compression et - le deuxième échangeur de chaleur configuré pour refroidir le flux du fluide cible par échange thermique avec le fluide réfrigérant intermédiaire refroidi dans le premier échangeur de chaleur. Figure pour l’abrégé : Figure 1 DISPOSITIF ET PROCÉDÉ DE REFROIDISSEMENT D’UN FLUX D’UN FLUIDE CIBLE ET UTILISATION ASSOCIÉE Domaine technique de l’invention La présente invention vise un dispositif de refroidissement d’un flux d’un fluide cible, un procédé de refroidissement d’un flux d’un fluide cible et une utilisation correspondante. Elle s’applique, par exemple, au domaine de la liquéfaction du dihydrogène obtenu par électrolyse de l’eau. État de la technique L’hydrogène est un vecteur énergétique produit majoritairement par reformage ou gazéification d’hydrocarbures et minoritairement par l'électrolyse de l’eau, la dissociation thermochimique de l'eau ou de la biomasse. Le recours croissant aux sources renouvelables d’électricité favorise le développement de l’électrolyse de l’eau pour la promotion d’un hydrogène neutre en émission de carbone. Cependant, l’hydrogène ainsi produit doit par la suite être conditionné afin d’être transporté. L’une de ces options consiste à le liquéfier. Le procédé de liquéfaction de l’hydrogène se divise en trois grands blocs technologiques de température : la compression, le pré-refroidissement (« pre-cooling », en anglais) et la réfrigération. Le pré-refroidissement a pour but de baisser les températures d'entrée situées entre 273 K et 320 K du fluide d'hydrogène d'intérêt et du fluide servant à la réfrigération dans le bloc suivant, jusqu'à une température dite de pré-refroidissement située entre 78 K et 120 K. Le procédé d’électrolyse génère pour chaque kilogramme d’hydrogène produit, huit kilogrammes d’oxygène. Cet oxygène est dans la plupart des cas relâché à l’atmosphère, il s’agit d’oxygène fatal. Certains systèmes utilisent l’oxygène fatal co-généré au cours de l’électrolyse de l’eau pour le pré-refroidissement de la liquéfaction de l’hydrogène en détendant l’oxygène comprimé en sortie de l’électrolyseur jusqu’à la pression atmosphérique. Cette opération permet d’abaisser sa température aux alentours de 140 K. Cet oxygène peut ainsi s’écouler à contre-sens dans un échangeur de chaleur d’où il ressort à température ambiante, refroidissant ainsi l’hydrogène. L’oxygène est ensuite rejeté dans l’atmosphère. Ces systèmes présentent comme principal inconvénient la dangerosité de croiser un flux d’oxygène avec un flux d’hydrogène au sein d’un même échangeur de chaleur (en cas de fuite dans l’échangeur, et en cas d’explosion dans une mesure plus extrême). Une amélioration des systèmes précédents propose d’utiliser un circuit tampon. L’oxygène refroidit ainsi non pas l’hydrogène directement mais un gaz inerte, de préférence l’azote, l’hélium ou le néon qui refroidissent à leur tour l’hydrogène. Néanmoins, cette amélioration impose l’utilisation additionnelle ou accrue de compresseurs à gaz afin de compenser les pertes de charges liées au circuit intermédiaire. Il n’existe ainsi pas de solution économique (réduction de la taille des compresseurs) et à efficacité énergétique accrue pour la liquéfaction du dihydrogène et en particulier pour son cycle de pré-refroidissement. Objet de l’invention La présente invention vise à remédier à tout ou partie de ces inconvénients. À cet effet, selon un premier aspect, la présente invention vise un dispositif de refroidissement d’un flux d’un fluide cible, qui comporte : - un premier échangeur de chaleur configuré pour refroidir un fluide réfrigérant intermédiaire par échange thermique avec un flux de dioxygène détendu, - un circuit fermé intermédiaire de transport du fluide réfrigérant intermédiaire depuis le premier échangeur de chaleur vers un deuxième échangeur de chaleur, - un moyen de compression du fluide réfrigérant intermédiaire le long du circuit fermé intermédiaire, - le fluide réfrigérant intermédiaire, configuré pour rester à l’état liquide ou supercritique au moins lors de la traversée du moyen de compression et - le deuxième échangeur de chaleur configuré pour refroidir le flux du fluide cible par échange thermique avec le fluide réfrigérant intermédiaire refroidi dans le premier échangeur de chaleur. Grâce à ces dispositions, il est possible de mettre en place un circuit tampon de refroidissement entre le flux de dioxygène et le flux de dihydrogène pour éviter des risques de sécurité sans toutefois nécessiter de compresseur à gaz pour comprimer le fluide réfrigérant intermédiaire. Ces dispositions permettent également de fournir une solution économique (réduction de la taille des compresseurs) et à efficacité énergétique accrue pour la liquéfaction du dihydrogène et en particulier pour son cycle de pré-refroidissement par une valorisation optimisée de l’oxygène fatal co-produit au cours de l’électrolyse de l’eau. De plus ces dispositions permettent une mise en œuvre opérationnelle simplifiée par rapport aux solutions existantes. Dans des modes de réalisation, le fluide réfrigérant intermédiaire est majoritairement : - un n-pentane, - un i-butane, - un n-hexane, - un n-heptane, - un n-octane, - un 2-méthylpentane, - un 2,2-diméthilbutane, - de l’acétone, - de l’éther, - du méthanol, - un n-butane ou - de l’ammoniac. Ces modes de réalisation permettent de mettre en œuvre un fluide réfrigérant présentant une large plage de température en état supercritique ou liquide. L’utilisation d’un n-pentane présente l’utilisation la plus flexible, c’est-à-dire qu’aucune concession n’est à effectuer pour le garder sous forme liquide (température de fusion la plus basse). Les utilisations d’un n-butane ou d’ammoniac sont avantageuses mais requièrent la mise en œuvre du moyen de compression en aval du premier échangeur ou alors de réduire d’une partie le pouvoir de refroidissement de ces fluides réfrigérants intermédiaires. Dans des modes de réalisation, le deuxième échangeur de chaleur est configuré pour refroidir le flux de fluide cible avec, en plus du fluide réfrigérant intermédiaire, un flux de fluide réfrigérant, le dispositif comportant un circuit fermé de fluide réfrigérant, ce circuit comportant : - un moyen de compression du fluide réfrigérant à basse pression en sortie du deuxième moyen de compression pour former un fluide réfrigérant à haute pression, - un moyen d’insertion du fluide réfrigérant à haute pression dans le deuxième échangeur de chaleur, - un moyen de détente du fluide réfrigérant à haute pression pour former un fluide réfrigérant à basse pression, - un troisième échangeur de chaleur configuré pour refroidir le flux du fluide cible par échange thermique avec le fluide réfrigérant à basse pression et - un moyen d’insertion du fluide réfrigérant à basse pression dans le deuxième échangeur de chaleur. Ces modes de réalisation permettent d’améliorer la réalisation du refroidissement du fluide cible. Dans des modes de réalisation, le dispositif objet de la présente invention comporte un quatrième échangeur de chaleur configuré pour refroidir le flux du fluide cible par échange thermique avec le fluide réfrigérant à basse pression issu du moyen de détente du fluide réfrigérant à haute pression, le moyen d’insertion du fluide réfrigérant à basse pression dans le deuxième échangeur de chaleur étant configuré pour insérer le flux du fluide réfrigérant à basse pression issu du quatrième échangeur de chaleur. Ces modes de réalisation permettent d’optimiser le processus de refroidissement du gaz fluide. Dans des modes de réalisation, le dispositif objet de la présente invention comporte le fluide réfrigérant, ce fluide réfrigérant étant majoritairement : - de l’azote, - de l’argon, - un mélange d’azote et d’argon ou - un mélange d’hydrocarbures et d’azote. Dans des modes de réalisation, le dispositif objet de la présente invention comporte un moyen de détente du dioxygène en amont du premier échangeur de chaleur. Ces modes de réalisation permettent d’obtenir un flux de dioxygène issu d’un processus d’électrolyse susceptible de refroidir le fluide réfrigérant. Dans des modes de réalisation, le dispositif objet de la présente invention comporte un moyen d’électrolyse de l’eau, configuré pour produire du dioxygène et du dihydrogène, le dioxygène produit étant fourni au moyen de détente du dioxygène. Ces modes de réalisation permettent de générer à la fois le fluide à refroidir et le dioxygène en permettant indirectement le refroidissement. Dans des modes de réalisation, le flux de fluide cible à refroidir est majoritairement du dihydrogène. Dans des modes de réalisation, le dispositif objet de la présente invention comporte un moyen d’injection du dihydrogène issu du moyen d’électrolyse de l’eau dans le deuxième échangeur de chaleur. Ces modes de réalisation permettent de valoriser des sources renouvelables d’électricité afin de générer de l’hydrogène présentant un bilan carbone neutre. Dans des modes de réalisation, le flux de fluide cible à refroidir est majoritairement : - du méthane, - du dioxyde de carbone, - du monoxyde de carbone, - de l’azote ou - de l’argon. Selon un deuxième aspect, la présente invention vise un procédé de refroidissement d’un flux d’un fluide cible, qui comporte : - -une première étape d’échange de chaleur pour refroidir un fluide réfrigérant intermédiaire par échange thermique avec un flux de dioxygène détendu, - une étape intermédiaire de circulation en circuit fermé du fluide réfrigérant intermédiaire depuis la première étape d’échange de chaleur vers une deuxième étape d’échange de chaleur, - une étape de compression du fluide réfrigérant intermédiaire au cours de l’étape intermédiaire de circulation en circuit fermé et - la deuxième étape d’échange de chaleur pour refroidir le flux du fluide cible par échange thermique avec le fluide réfrigérant intermédiaire refroidi au cours de la première étape d’échange de chaleur, le fluide réfrigérant intermédiaire étant configuré pour rester à l’état liquide ou supercritique au moins lors de la réalisation de l’étape de compression. Ce procédé présente les mêmes avantages que le dispositif objet de la présente invention. Selon un troisième aspect, la présente invention vise l’utilisation d’un flux majoritairement de n-pentane en état supercritique ou liquide en circuit fermé pour refroidir un corps par accumulation de frigories au cours de l’échange thermique entre un flux majoritairement de n-pentane comprimé et majoritairement un flux de dioxygène. Cette utilisation présente les mêmes avantages que le dispositif objet de la présente invention. Dans des modes de réalisation, le corps est majoritairement un flux de dihydrogène. Dans des modes de réalisation, le corps est majoritairement un corps solide. Brève description des figures D’autres avantages, buts et caractéristiques particulières de l’invention ressortiront de la description non limitative qui suit d’au moins un mode de réalisation particulier du dispositif et du procédé objets de la présente invention, en regard des dessins annexés, dans lesquels : représente, schématiquement, un premier mode de réalisation particulier du dispositif objet de la présente invention et représente, schématiquement et sous forme d’un logigramme, une succession d’étapes particulière du procédé objet de la présente invention. Dispositif (100) de refroidissement d’un flux (101) d’un fluide cible, caractérisé en ce qu’il comporte : - un premier échangeur (105) de chaleur configuré pour refroidir un fluide (110) réfrigérant intermédiaire par échange thermique avec un flux de dioxygène (115) détendu, - un circuit (120) fermé intermédiaire de transport du fluide réfrigérant intermédiaire depuis le premier échangeur de chaleur vers un deuxième échangeur (125) de chaleur, - un moyen (130) de compression du fluide réfrigérant intermédiaire le long du circuit fermé intermédiaire, - le fluide réfrigérant intermédiaire, configuré pour rester à l’état liquide ou supercritique au moins lors de la traversée du moyen de compression et - le deuxième échangeur de chaleur configuré pour refroidir le flux du fluide cible par échange thermique avec le fluide réfrigérant intermédiaire refroidi dans le premier échangeur de chaleur. Dispositif (100) selon la revendication 1, dans lequel le fluide (110) réfrigérant intermédiaire est majoritairement : - un n-pentane, - un i-butane, - un n-hexane, - un n-heptane, - un n-octane, - un 2-méthylpentane, - un 2,2-diméthilbutane, - de l’acétone, - de l’éther, - du méthanol, - un n-butane ou - de l’ammoniac. Dispositif (100) selon l’une des revendications 1 ou 2, dans lequel le deuxième échangeur (125) de chaleur est configuré pour refroidir le flux de fluide (101) cible avec, en plus du fluide (110) réfrigérant intermédiaire, un flux de fluide (135) réfrigérant, le dispositif comportant un circuit (140) fermé de fluide réfrigérant, ce circuit comportant : - un moyen (145) de compression du fluide réfrigérant à basse pression en sortie du deuxième échangeur (125) pour former un fluide réfrigérant à haute pression, - un moyen (150) d’insertion du fluide réfrigérant à haute pression dans le deuxième échangeur de chaleur, - un moyen (155) de détente du fluide réfrigérant à haute pression pour former un fluide réfrigérant à basse pression, - un troisième échangeur (160) de chaleur configuré pour refroidir le flux du fluide cible par échange thermique avec le fluide réfrigérant à basse pression et - un moyen (165) d’insertion du fluide réfrigérant à basse pression dans le deuxième échangeur de chaleur. Dispositif (100) selon la revendication 3, qui comporte un quatrième échangeur (180) de chaleur configuré pour refroidir le flux du fluide (101) cible par échange thermique avec le fluide (135) réfrigérant à basse pression issu du moyen (155) de détente du fluide réfrigérant à haute pression, le moyen (165) d’insertion du fluide réfrigérant à basse pression dans le deuxième échangeur (160) de chaleur étant configuré pour insérer le flux du fluide réfrigérant à basse pression issu du quatrième échangeur de chaleur. Dispositif (100) selon l’une des revendications 3 ou 4, comportant le fluide (135) réfrigérant, dans lequel le fluide réfrigérant est majoritairement : - de l’azote, - de l’argon, - un mélange d’azote et d’argon ou - un mélange d’hydrocarbures et d’azote. Dispositif (100) selon l’une des revendications 1 à 5, qui comporte un moyen (170) de détente du dioxygène en amont du premier échangeur (105) de chaleur. Dispositif (100) selon la revendication 6, qui comporte un moyen (175) d’électrolyse de l’eau, configuré pour produire du dioxygène et du dihydrogène, le dioxygène produit étant fourni au moyen (170) de détente du dioxygène. Dispositif (100) selon l’une des revendications 1 à 7, dans lequel le flux de fluide (101) cible à refroidir est majoritairement du dihydrogène. Dispositif (100) selon les revendications 7 et 8, qui comporte un moyen (1025) d’injection du dihydrogène issu du moyen d’électrolyse de l’eau dans le deuxième échangeur (125) de chaleur. Dispositif (100) selon l’une des revendications 1 à 6, dans lequel le flux de fluide (101) cible à refroidir est majoritairement : - du méthane, - du dioxyde de carbone, - du monoxyde de carbone, - de l’azote ou - de l’argon. Procédé (200) de refroidissement d’un flux d’un fluide cible, caractérisé en ce qu’il comporte : - une première étape (205) d’échange de chaleur pour refroidir un fluide réfrigérant intermédiaire par échange thermique avec un flux de dioxygène détendu, - une étape (210) intermédiaire de circulation en circuit fermé du fluide réfrigérant intermédiaire depuis la première étape d’échange de chaleur vers une deuxième étape d’échange de chaleur, - une étape de (215) compression du fluide réfrigérant intermédiaire au cours de l’étape intermédiaire de circulation en circuit fermé et - la deuxième étape (220) d’échange de chaleur pour refroidir le flux du fluide cible par échange thermique avec le fluide réfrigérant intermédiaire refroidi au cours de la première étape d’échange de chaleur, le fluide réfrigérant intermédiaire étant configuré pour rester à l’état liquide ou supercritique au moins lors de la réalisation de l’étape de compression.