Brevet FR3140650A1 — publié le 20240412

Titre de l’invention : Dispositif et procédé de vaporisation ou pseudo-vaporisation d’hydrogène liquide et de production d’énergie électrique Un dispositif de vaporisation d’hydrogène liquide et de production d’énergie électrique comprend un échangeur de chaleur (104), une conduite pour envoyer de l’hydrogène liquide (101) à une première extrémité de l’échangeur de chaleur, une conduite pour sortir de l’hydrogène vaporisé (102) à une deuxième extrémité de l’échangeur de chaleur, un premier circuit de réchauffage comprenant une première pompe (202), une première turbine (201, 216), des moyens pour envoyer un premier fluide sous forme liquide (201) depuis la première extrémité de l’échangeur de chaleur à la première pompe, des moyens pour envoyer le liquide (202) pompé dans la première pompe à la première extrémité de l’échangeur de chaleur pour s’y vaporiser formant un premier liquide vaporisé, des moyens pour envoyer le premier liquide vaporisé (209) depuis la deuxième extrémité de l’échangeur de chaleur à l’au moins une première turbine pour produire un premier gaz détendu (211, 217), des moyens pour envoyer le premier gaz détendu à la deuxième extrémité de l’échangeur de chaleur pour s’y condenser, un deuxième circuit de réchauffage comprenant une deuxième pompe (302), une deuxième turbine (307, 311), des moyens pour envoyer un deuxième fluide sous forme liquide (301) depuis l’échangeur de chaleur à la deuxième pompe, des moyens pour envoyer le deuxième liquide pompé (303) dans la deuxième pompe à l’échangeur de chaleur pour s’y vaporiser au moins partiellement formant un deuxième liquide au moins partiellement vaporisé (304), des moyens pour envoyer le deuxième liquide au moins partiellement vaporisé depuis la deuxième extrémité de l’échangeur de chaleur à l’au moins une deuxième turbine pour produire un deuxième gaz détendu (308, 312), des moyens pour envoyer le deuxième gaz détendu à la deuxième extrémité de l’échangeur de chaleur pour s’y condenser, la première turbine étant couplée à un générateur d’électricité (G). Figure de l’abrégé : Figure 1 Dispositif et procédé de vaporisation ou pseudo-vaporisation d’hydrogène liquide et de production d’énergie électrique La présente invention est relative à un dispositif et à un procédé de vaporisation d’hydrogène liquide et de production d’énergie électrique. Elle concerne également les procédés où l’hydrogène liquide est à pression supercritique, c’est-à-dire au-dessus de 13 bars, et se pseudo-vaporise et des appareils capables de fonctionner pour mettre en œuvre de tels procédés. Afin de transporter l’hydrogène sur de longues distances de manière la plus économique, l’hydrogène est liquéfié sur son lieu de production avant d’être acheminé vers les lieux de consommation. Dans les futurs terminaux importateurs d’hydrogène liquide, tout ou une partie de l’hydrogène liquide peut être revaporisé pour répondre à certains usages. La liquéfaction d’hydrogène est un procédé énergivore qui demande une consommation électrique d’environ 7500 kWh/tonne pour les procédés les plus performants. Afin de rendre la chaîne hydrogène globale moins énergivore, la présente invention vise à répondre au besoin de regazéification de l’hydrogène liquide tout en générant simultanément de la puissance électrique. Il est un but de l’invention de générer de l’énergie électrique en utilisant la chaleur latente et/ou sensible de l’hydrogène liquéfié. Selon un objet de l’invention il est prévu un dispositif de vaporisation d’hydrogène liquide et de production d’énergie électrique comprenant un échangeur de chaleur, une conduite pour envoyer de l’hydrogène liquide à une première extrémité de l’échangeur de chaleur, une conduite pour sortir de l’hydrogène liquide vaporisé ou pseudo-vaporisé à une deuxième extrémité de l’échangeur de chaleur, un premier circuit de réchauffage comprenant une première pompe, au moins une première turbine, des moyens pour envoyer un premier fluide sous forme liquide depuis la première extrémité de l’échangeur de chaleur à la première pompe, des moyens pour envoyer le liquide pompé dans la première pompe à la première extrémité de l’échangeur de chaleur pour s’y vaporiser ou s’y pseudo-vaporiser formant un premier liquide vaporisé ou pseudo-vaporisé, des moyens pour envoyer le premier liquide vaporisé ou pseudo-vaporisé depuis la deuxième extrémité de l’échangeur de chaleur à l’au moins une première turbine pour produire un premier gaz détendu, des moyens pour envoyer le premier gaz détendu à la deuxième extrémité de l’échangeur de chaleur pour s’y condenser ou s’y pseudo-condenser, un deuxième circuit de réchauffage comprenant une deuxième pompe, au moins une deuxième turbine, des moyens pour envoyer un deuxième fluide sous forme liquide depuis l’échangeur de chaleur à la deuxième pompe, des moyens pour envoyer le deuxième liquide pompé dans la deuxième pompe à l’échangeur de chaleur pour s’y vaporiser au moins partiellement formant un deuxième liquide au moins partiellement vaporisé, des moyens pour envoyer le deuxième liquide au moins partiellement vaporisé depuis la deuxième extrémité de l’échangeur de chaleur à l’au moins une deuxième turbine pour produire un deuxième gaz détendu, des moyens pour envoyer le deuxième gaz détendu à la deuxième extrémité de l’échangeur de chaleur pour s’y condenser, l’au moins une première turbine étant couplée à un premier générateur d’électricité et/ou l’au moins une deuxième turbine étant couplée à un deuxième générateur d’électricité. Le dispositif peut comprendre une troisième pompe, au moins deux premières turbines, le premier liquide vaporisé étant détendu dans une des deux premières turbines en amont de l’autre, des moyens pour diviser en deux le gaz détendu dans la première turbine en amont, des moyens pour envoyer une partie du gaz détendu à la première turbine en aval et des moyens pour envoyer une autre partie du gaz détendu à la deuxième extrémité de l’échangeur de chaleur pour s’y condenser et être envoyé à la troisième pompe, des moyens pour envoyer le liquide pressurisé dans la troisième pompe à un point intermédiaire entre les première et deuxième extrémités pour se mélanger avec le liquide provenant de la première pompe. Selon un autre objet de l’invention, il est prévu un procédé de vaporisation d’hydrogène liquide et de production d’énergie électrique dans lequel on envoie de l’hydrogène liquide à une première extrémité d’un échangeur de chaleur où il se vaporise ou pseudo-vaporise pour former de l’hydrogène liquide vaporisé ou pseudo-vaporisé à une deuxième extrémité de l’échangeur de chaleur, on réchauffe l’hydrogène liquide au moins d’un premier circuit de réchauffage comprenant une première pompe et au moins une première turbine, dans lequel on envoie un premier fluide sous forme liquide depuis la première extrémité de l’échangeur de chaleur à la première pompe, on envoie le liquide pompé dans la première pompe à la première extrémité de l’échangeur de chaleur pour s’y vaporiser ou pseudo-vaporiser formant un premier liquide vaporisé ou pseudo-vaporisé, on envoie le premier liquide vaporisé ou pseudo-vaporisé depuis la deuxième extrémité de l’échangeur de chaleur à l’au moins une première turbine pour produire un premier gaz détendu, on envoie le premier gaz détendu à la deuxième extrémité de l’échangeur de chaleur pour s’y condenser, ou pseudo-condenser, on réchauffe l’hydrogène liquide au moyen d’un deuxième circuit de réchauffage comprenant une deuxième pompe et au moins une deuxième turbine, dans lequel on envoie un deuxième fluide sous forme liquide depuis l’échangeur de chaleur à une température intermédiaire entre celles des première et deuxième extrémités à la deuxième pompe, on envoie le deuxième liquide pressurisé dans la deuxième pompe à l’échangeur de chaleur une température intermédiaire entre celles des première et deuxième extrémités pour s’y vaporiser au moins partiellement formant un deuxième liquide au moins partiellement vaporisé, on envoie le deuxième liquide au moins partiellement vaporisé depuis la deuxième extrémité de l’échangeur de chaleur à l’au moins une deuxième turbine pour produire un deuxième gaz détendu, on envoie le deuxième gaz détendu à la deuxième extrémité de l’échangeur de chaleur pour s’y condenser, l’au moins une première turbine étant couplée à un premier générateur qui génère de l’électricité et/ou l’au moins une deuxième turbine étant couplée à un deuxième générateur qui génère de l’électricité. Selon d’autres aspects facultatifs : le procédé utilise une troisième pompe, au moins deux premières turbines, le premier liquide vaporisé étant détendu dans une des deux premières turbines en amont de l’autre, le gaz détendu dans la première turbine en amont étant divisé en au moins deux, une partie du gaz détendu étant envoyée à la première turbine en aval pour s’y détendre une autre partie du gaz détendu étant envoyée à la deuxième extrémité de l’échangeur de chaleur pour s’y condenser et être envoyée à la troisième pompe une température intermédiaire entre celles des première et deuxième extrémités, on envoie le liquide pressurisé dans la troisième pompe à une température intermédiaire entre celles des première et deuxième extrémités pour se mélanger avec le liquide provenant de la première pompe. on réchauffe l’hydrogène vaporisé ou pseudo-vaporisé au moyen d’un fluide qui est de l’eau de mer, de l’eau douce, de l’air ambient ou un effluent plus chaud que l’hydrogène vaporisé provenant d’un site industriel. on réchauffe le premier fluide et le deuxième fluide à détendre dans l’au moins une première turbine et/ou dans l’au moins une deuxième turbine au moyen d’un fluide qui est de l’eau de mer, de l’eau douce, l’air ambient ou un effluent, plus chaud que le gaz à détendre, provenant d’un site industriel. le premier fluide est de l’hydrogène ou de l’hélium. le deuxième fluide est de l’azote ou un mélange comprenant de l’azote, du méthane et au moins de l’éthane ou de l’éthylène. la température d’entrée de la deuxième pompe est supérieure à celle de la troisième pompe. la température d’entrée de l’au moins une première turbine et/ou de l’au moins une deuxième turbine est supérieure à 10°C. le deuxième liquide partiellement vaporisé dans l’échangeur de chaleur termine sa vaporisation dans un réchauffeur. le deuxième liquide se vaporise complètement dans l’échangeur de chaleur. Une description d’un mode de réalisation du dispositif illustré dans la suit. La montre un procédé selon l’invention. Un courant d’hydrogène liquide pressurisé (LH2) dans la ligne 101 alimente le bout froid de l’échangeur de chaleur 104 et produit un courant d’hydrogène vaporisé ou pseudo-vaporisé pressurisé dans la ligne 102. Le courant d’hydrogène vaporisé pressurisé dans la ligne 102 peut être optionnellement réchauffé d’avantage au travers du réchauffeur 105 afin de produire un courant d’hydrogène vaporisé ou pseudo-vaporisé pressurisé à la température requise pour l’exportation dans la ligne 103. Si la pression de l’hydrogène vaporisé est au-dessus de 13bars, il se pseudo-vaporisera. En ce qui concerne le circuit primaire de génération électrique 200, un premier fluide qui est de l’hydrogène ou de l’hélium circule dans un circuit comprenant un échangeur de chaleur 104 ayant une première extrémité et une deuxième extrémité, une première pompe 202 et au moins une première turbine 210, 216. Le premier fluide de travail détendu dans une turbine 210 formant un fluide détendu 211. Dans le cas où le circuit ne comprend qu’une seule turbine, le fluide détendu 211 est envoyé dans la ligne 217 alimenter le bout chaud (deuxième extrémité) de l’échangeur de chaleur 104 pour y être refroidi en sortant du bout froid (première extrémité). Le premier fluide de travail refroidi résultant dans la ligne 201 est pressurisé par la première pompe 202. Le premier fluide pressurisé 203 dans la première pompe 202 se réchauffe et se vaporise ou se pseudo-vaporise dans l’échangeur de chaleur 104 étant envoyé de nouveau depuis la première extrémité à la deuxième extrémité. Le travail produit dans la turbine 210 peut être converti en énergie électrique grâce à un générateur En variante, le premier fluide de travail 207 est réchauffé dans un réchauffer 208 pour former un gaz 209 qui est détendu dans la turbine 210 et ensuite après réchauffage à nouveau dans le réchauffeur 214 est détendu dans la turbine 216 avant que le débit détendu 217 ne soit renvoyé à la pompe 202. Le travail produit dans la turbine 216 quand présente peut-être converti en énergie électrique grâce à un générateur, de manière similaire à la turbine 210. Optionnellement, le premier fluide de travail détendu dans la turbine 210 et divisé en deux, une partie 212 étant détendue dans la turbine 216. Le reste 213 est envoyé à la deuxième extrémité de l’échangeur 104 qu’il quitte à un niveau intermédiaire après avoir réchauffé l’hydrogène et s’être liquéfié. La fraction liquéfiée 204 dans la l’échangeur de chaleur 104 est pressurisée par la pompe 205. Le fluide de travail pressurisé primaire résultant dans la ligne 206 alimente l’échangeur de chaleur 104 à une température supérieure à celle de la première extrémité. Le fluide de travail pressurisé primaire dans la ligne 206 rejoint le liquide 203 venant de la pompe 202 et après avoir été réchauffé dans l’échangeur de chaleur 104, peut être réchauffé d’avantage au travers du réchauffeur 208. Le fluide de travail réchauffé primaire dans la ligne 209 peut être ainsi détendu au travers de la turbine 210. Le travail produit dans la turbine 210 peut être converti en énergie électrique grâce à un générateur. Le fluide de travail détendu primaire dans la ligne 211/213 alimente le bout chaud de l’échangeur de chaleur 104 pour y être refroidi. Le fluide de travail refroidi primaire résultant boucle le circuit primaire dans la ligne 204. Le premier fluide de travail pressurisé dans la ligne 203 alimente le bout froid de l’échangeur de chaleur 104. Le fluide de travail pressurisé primaire se réchauffant dans l’échangeur de chaleur 104 peut être mélangé avec le fluide de travail provenant de la ligne 206. Optionnellement, les phases de réchauffages et de détentes en série peuvent être supérieures à deux et forment des circuits supplémentaires de premiers fluides de travail se refroidissant dans l’échangeur de chaleur 104 à des paliers de pression successifs. En ce qui concerne le circuit secondaire de génération électrique 300, le deuxième fluide de travail dans la ligne 301 est pressurisé à l’état liquide par la pompe 302 dont la température d’entrée est supérieure à celles des pompes 202, 205 et la température de sortie est supérieure à celles des pompes 202, 205. La température d’entrée de la pompe 302 est supérieure à la température de sortie des pompes 202, 205. Le deuxième fluide de travail pressurisé secondaire dans la ligne 303 alimente l’échangeur de chaleur 104 à un palier intermédiaire. Le deuxième fluide de travail pressurisé dans la ligne 304, après avoir été réchauffé et au moins partiellement vaporisé dans l’échangeur de chaleur 104, peut être réchauffé d’avantage et totalement vaporisé au travers du réchauffeur 305. Le fluide de travail réchauffé secondaire dans la ligne 306 peut être ainsi détendu au travers de la turbine 307. Le travail produit dans la turbine 307 peut être converti en énergie électrique grâce à un générateur G. Le deuxième fluide de travail détendu dans la ligne 308 peut être optionnellement réchauffée à nouveau dans le réchauffeur 309. Le fluide de travail secondaire réchauffée dans la ligne 310 peut être à nouveau détendu au travers de la turbine 311 si présente. Le travail produit dans la turbine 311 peut être converti en énergie électrique grâce à un générateur G, de manière similaire à la turbine 307. Le deuxième fluide de travail détendu dans la ligne 312 alimente le bout chaud de l’échangeur de chaleur 104 pour y être refroidi et condensé. Le fluide de travail condensé secondaire résultant boucle le circuit secondaire 300 dans la ligne 301 allant vers la pompe 302. Optionnellement, les phases de réchauffages et de détentes en série peuvent être supérieures à deux dans le circuit secondaire de génération électrique 300. Le premier fluide de travail peut être constitué exclusivement d’hydrogène ou avoir la même composition que l’hydrogène dans la ligne 101. Le deuxième fluide de travail peut être un réfrigérant mixte, par exemple un mélange constitué d’azote, méthane, un troisième constituant qui peut être de l’éthane ou de l’éthylène et un quatrième constituant qui peut être du propane ou de propylène ou un constituant dont le point de bulle est plus haut. L’échangeur de chaleur 104 peut être constitué d’un ou plusieurs appareils en série ou en parallèle. La source de chaleur d’au moins un des réchauffeurs 105, 208, 214 et 305 peut être de l’eau de mer, de l’eau douce, l’air ambient ou un effluent chaud provenant d’un site industriel à proximité. Exemple Les valeurs montrées dans cet exemple se basent sur une source chaude pour les réchauffeurs, dont la température est de 15°C (par exemple de l’eau de mer). La température des fluides réchauffées est de 10°C en admettant une approche de 5°C. [TAB.1] [TAB.2] La composition du fluide de travail secondaire comprend en ordre décroissant de pourcentage : azote, méthane, éthane, propane, les pourcentages étant à optimiser selon la température plus basse désirée pour la boucle de réfrigération. La puissance électrique générée nette des consommations internes est de 7186 kW, soit 719 kWh/tonne d’hydrogène revaporisé ou pseudo-vaporisé. Cela représente 9.6% de la consommation énergétique nécessaire à la liquéfaction de la même quantité d’hydrogène. Dispositif de vaporisation ou de pseudo-vaporisation d’hydrogène liquide et de production d’énergie électrique comprenant un échangeur de chaleur (104), une conduite pour envoyer de l’hydrogène liquide (101) à une première extrémité de l’échangeur de chaleur, une conduite pour sortir de l’hydrogène liquide vaporisé ou pseudo-vaporisé (102) à une deuxième extrémité de l’échangeur de chaleur, un premier circuit de réchauffage (200) comprenant une première pompe (202), au moins une première turbine (210, 216), des moyens pour envoyer un premier fluide sous forme liquide (201) depuis la première extrémité de l’échangeur de chaleur à la première pompe, des moyens pour envoyer le liquide (202) pompé dans la première pompe à la première extrémité de l’échangeur de chaleur pour s’y vaporiser ou s’y pseudo vaporiser formant un premier liquide vaporisé ou pseudo-vaporisé, des moyens pour envoyer le premier liquide vaporisé ou pseudo-vaporisé (209) depuis la deuxième extrémité de l’échangeur de chaleur à l’au moins une première turbine pour produire un premier gaz détendu (211, 217), des moyens pour envoyer le premier gaz détendu à la deuxième extrémité de l’échangeur de chaleur pour s’y condenser ou s’y pseudo-condenser, un deuxième circuit de réchauffage (300) comprenant une deuxième pompe (302), au moins une deuxième turbine (307, 311), des moyens pour envoyer un deuxième fluide sous forme liquide (301) depuis l’échangeur de chaleur à la deuxième pompe, des moyens pour envoyer le deuxième liquide pompé (303) dans la deuxième pompe à l’échangeur de chaleur pour s’y vaporiser au moins partiellement formant un deuxième liquide au moins partiellement vaporisé (304), des moyens pour envoyer le deuxième liquide au moins partiellement vaporisé depuis la deuxième extrémité de l’échangeur de chaleur à l’au moins une deuxième turbine pour produire un deuxième gaz détendu (308, 312), des moyens pour envoyer le deuxième gaz détendu à la deuxième extrémité de l’échangeur de chaleur pour s’y condenser, l’au moins une première turbine étant couplée à un premier générateur d’électricité (G) et/ou l’au moins une deuxième turbine étant couplée à un deuxième générateur d’électricité (G). Dispositif selon la revendication 1 comprenant une troisième pompe (205), les au moins deux premières turbines (210, 216), le premier liquide vaporisé étant détendu dans une des deux premières turbines (210)en amont de l’autre, des moyens pour diviser en deux le gaz détendu (211)dans la première turbine en amont, des moyens pour envoyer une partie (215) du gaz détendu à la première turbine en aval (216) et des moyens pour envoyer une autre partie (213) du gaz détendu à la deuxième extrémité de l’échangeur de chaleur (104) pour s’y condenser et être envoyée à la troisième pompe, des moyens pour envoyer le liquide pressurisé (206) dans la troisième pompe à un point intermédiaire entre les première et deuxième extrémités pour se mélanger avec le liquide (203) provenant de la première pompe. Procédé de vaporisation ou de pseudo-vaporisation d’hydrogène liquide et de production d’énergie électrique dans lequel on envoie de l’hydrogène liquide (101) à une première extrémité d’un échangeur de chaleur (104) où il se vaporise ou se pseudo-vaporise pour former de l’hydrogène liquide vaporisé ou pseudo-vaporisé (102) à une deuxième extrémité de l’échangeur de chaleur, on réchauffe l’hydrogène liquide au moins d’un premier circuit de réchauffage comprenant une première pompe (202) et au moins une première turbine (210, 216), dans lequel on envoie un premier fluide sous forme liquide (201) depuis la première extrémité de l’échangeur de chaleur à la première pompe, on envoie le liquide (203) pompé dans la première pompe à la première extrémité de l’échangeur de chaleur pour s’y vaporiser formant un premier liquide vaporisé ou pseudo-vaporisé (207), on envoie le premier liquide vaporisé ou pseudo-vaporisé depuis la deuxième extrémité de l’échangeur de chaleur à l’au moins une première turbine pour produire un premier gaz détendu (217), on envoie le premier gaz détendu à la deuxième extrémité de l’échangeur de chaleur pour s’y condenser ou s’y pseudo-condenser, on réchauffe l’hydrogène liquide au moyen d’un deuxième circuit de réchauffage comprenant une deuxième pompe (302) et au moins une deuxième turbine (307,311), dans lequel on envoie un deuxième fluide sous forme liquide (301) depuis l’échangeur de chaleur à une température intermédiaire entre celles des première et deuxième extrémités à la deuxième pompe, on envoie le deuxième liquide pressurisé (303) dans la deuxième pompe à l’échangeur de chaleur une température intermédiaire entre celles des première et deuxième extrémités pour s’y vaporiser au moins partiellement formant un deuxième liquide au moins partiellement vaporisé (304), on envoie le deuxième liquide au moins partiellement vaporisé depuis la deuxième extrémité de l’échangeur de chaleur à l’au moins une deuxième turbine pour produire un deuxième gaz détendu (312), on envoie le deuxième gaz détendu à la deuxième extrémité de l’échangeur de chaleur pour s’y condenser, l’au moins une première turbine étant couplée à un premier générateur (G) qui génère de l’électricité et/ou l’au moins deuxième turbine étant couplée à un deuxième générateur (G) qui génère de l’électricité. Procédé selon la revendication 3 utilisant une troisième pompe (205), les au moins deux premières turbines (210, 216), le premier liquide vaporisé ou pseudo-vaporisé étant détendu dans une des deux premières turbines en amont de l’autre, le gaz détendu dans la première turbine en amont étant divisé en au moins deux, une partie (215) du gaz détendu étant envoyée à la première turbine en aval pour s’y détendre une autre partie (213) du gaz détendu étant envoyée à la deuxième extrémité de l’échangeur de chaleur pour s’y condenser et être envoyée à la troisième pompe une température intermédiaire entre celles des première et deuxième extrémités, on envoie le liquide pressurisé dans la troisième pompe à une température intermédiaire entre celles des première et deuxième extrémités pour se mélanger avec le liquide provenant de la première pompe (202). Procédé selon l’une des revendications 3 ou 4 dans lequel on réchauffe l’hydrogène vaporisé ou pseudo-vaporisé (102) au moyen d’un fluide qui est de l’eau de mer, de l’eau douce, de l’air ambient ou un effluent plus chaud que l’hydrogène vaporisé provenant d’un site industriel. Procédé selon l’une des revendications 3, 4 ou 5 dans lequel on réchauffe le gaz à détendre (209, 215, 304,308) dans l’au moins une première turbine et/ou dans l’au moins une deuxième turbine au moyen d’un fluide qui est de l’eau de mer, de l’eau douce, l’air ambient ou un effluent chaud provenant d’un site industriel. Procédé selon l’une des revendications 3 à 6 dans lequel le premier fluide est de l’hydrogène ou de l’hélium. Procédé selon l’une des revendications 3 à 7 dans lequel le deuxième fluide est de l’azote ou un mélange comprenant de l’azote, du méthane et au moins de l’éthane et/ou de éthylène. Procédé selon l’une des revendications 3 à 8 dans lequel la température d’entrée de la deuxième pompe (302) est supérieure à celle de la troisième pompe (205). Procédé selon l’une des revendications 3 à 9 dans lequel la température d’entrée de l’au moins une première turbine (210, 216) et/ou de l’au moins une deuxième turbine (307, 310) est supérieure à 10°C.