Brevet FR3163146A1 — publié le 20251212

L’invention concerne une installation et un procédé de liquéfaction d’hydrogène comprenant un circuit (2) d’alimentation en hydrogène alimentant un stockage (8) cryogénique muni d'une conduite (11) de soutirage pour la fourniture d'hydrogène à un réservoir (12), l'installation (1) comprenant un ensemble d'échangeur(s) (3, 4, 5) de chaleur en échange thermique avec le circuit (2) d'alimentation et avec un dispositif de refroidissement comprenant un réfrigérateur (7) cryogénique à cycle de réfrigération d'un gaz de cycle dans un circuit (70) de cycle, le gaz de cycle comprenant un mélange comprenant au moins 50% en mole d'hélium et moins de 50% en mole d'hydrogène, le circuit (70) de cycle du réfrigérateur (7) comprenant un organe (17) de compression comportant au moins un compresseur de type centrifuge, un organe (3, 4) de refroidissement, un organe (27, 37) de détente et un organe (5, 4, 3) de réchauffage, l’installation (1) comprenant au moins une conduite (9, 10) de récupération de gaz de vaporisation pour récupérer de l’hydrogène gazeux, la conduite (9, 10) de récupération de gaz de vaporisation étant reliée au circuit (70) de cycle pour réinjecter ce gaz de vaporisation dans le circuit de cycle, l’installation (1) comprenant en outre une conduite (13) de transfert reliant le circuit (70) de cycle au circuit circuit (2) d'alimentation et configurée pour permettre de transférer du gaz de cycle dans le circuit (2) d’alimentation Figure d’abrégé : Fig. 1 Installation et procédé de liquéfaction d’hydrogène L’invention concerne une installation et un procédé de liquéfaction d’hydrogène. L’invention concerne plus particulièrement une installation de liquéfaction d’hydrogène comprenant un circuit d’alimentation en hydrogène ayant une extrémité amont destinée à être reliée à une source d'hydrogène gazeux et une extrémité aval reliée à au moins un stockage cryogénique d'hydrogène liquéfié de l'installation, le stockage cryogénique étant muni d'une conduite de soutirage configurée pour permettre la fourniture d'hydrogène liquéfié à au moins un réservoir à remplir, par exemple un réservoir mobile, l'installation comprenant un ensemble d'échangeur(s) de chaleur en échange thermique avec le circuit d'alimentation et dispositif de refroidissement en échange thermique avec au moins une partie de l'ensemble d'échangeur (s) de chaleur configuré pour refroidir le circuit d'alimentation, le dispositif de refroidissement comprenant un réfrigérateur cryogénique à cycle de réfrigération d'un gaz de cycle dans un circuit de cycle, le gaz de cycle comprenant un mélange comprenant au moins 50% en mole d'hélium et moins de 50% en mole d'hydrogène, le circuit de cycle du réfrigérateur comprenant un organe de compression du gaz de cycle comportant au moins un compresseur de type centrifuge, un organe de refroidissement du gaz de cycle, un organe de détente du gaz de cycle et un organe de réchauffage du gaz de cycle, l’installation comprenant au moins une conduite de récupération de gaz de vaporisation configurée pour récupérer de l’hydrogène gazeux par exemple généré lors de la fourniture d'hydrogène liquéfié à au moins un réservoir à remplir, la conduite de récupération de gaz de vaporisation étant reliée au circuit de cycle pour réinjecter ce gaz de vaporisation dans le circuit de cycle. Pour la liquéfaction d’hydrogène il est connu d’utiliser des réfrigérateurs à cycle hydrogène. La faible masse molaire de l’hydrogène rend cependant peu efficace sa compression par des compresseurs centrifuges. Une solution connue consiste à ajouter un composé plus lourd dans le circuit de cycle pour la compression, ce composé plus lourd (néon ou hydrocarbure) étant séparé avant les détentes finales du cycle de réfrigération. Ceci complexifie l’installation. Une autre solution connue consiste à utiliser un gaz de cycle comprenant ou constitué d’hélium. Ceci nécessite de prévoir un cycle de réfrigération fermé ou pose des problèmes de migration d’hélium. De plus, la récupération de gaz de vaporisation hydrogène nécessite des dispositifs dédiés coûteux ou complexe. 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 en outre une conduite de transfert reliant le circuit de cycle au circuit circuit d'alimentation et configurée pour permettre de transférer du gaz de cycle dans le circuit d’alimentation. Par ailleurs, des modes de réalisation de l’invention peuvent comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : l’installation comporte une première conduite de récupération de gaz de vaporisation reliant le stockage cryogénique au circuit de cycle configurée pour transférer du gaz de vaporisation du stockage cryogénique vers le circuit de cycle, l’installation comporte une seconde conduite de récupération de gaz de vaporisation comprenant une extrémité aval reliée au stockage cryogénique et/ou au circuit de cycle et une extrémité amont configurée pour être reliée à un réservoir à remplir et/ou une circuiterie de remplissage d’un réservoir à remplir, la seconde conduite de récupération étant configurée pour transférer du gaz de vaporisation d’un réservoir à remplir et/ou d’une circuiterie de remplissage d’un réservoir à remplir vers le stockage cryogénique et/ou le circuit de cycle, le circuit de cycle comporte, en aval d’un organe de détente, un pot séparateur de phase, la au moins une conduite de récupération de gaz de vaporisation est reliée au pot séparateur de phase, le circuit d'alimentation comprend un organe de détente finale situé entre l’ensemble d'échangeur(s) de chaleur et le stockage cryogénique. L’invention concerne également un procédé de liquéfaction d’hydrogène utilisant une installation conforme à l’une quelconque des revendications précédentes, le procédé comprenant une étape de récupération de gaz de vaporisation constitués majoritairement d’hydrogène dans le circuit de cycle du réfrigérateur, une étape de transfert d’une quantité déterminée de gaz de cycle dans le circuit circuit d'alimentation et une étape de récupération de gaz de vaporisation comprenant majoritairement de l’hélium du stockage cryogénique vers le circuit de cycle. Selon d’autres particularités possibles, l’installation est configurée pour maintenir un taux d’hélium dans le circuit de cycle supérieure à un seuil déterminé. 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 aux figures dans lesquelles : Brève description des figures L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés dans lesquels : FIG. 1 est une vue schématique et partielle illustrant un exemple de structure et de fonctionnement d’une installation selon l’invention. Description détaillée Sur toutes les figures, les mêmes références se rapportent aux mêmes éléments. Dans cette description détaillée, les réalisations suivantes sont des exemples. Bien que la description se réfère à un ou plusieurs modes de réalisation, cela ne signifie pas que les caractéristiques s’appliquent seulement à un seul mode de réalisation. De simples caractéristiques de différents modes de réalisation peuvent également être combinées et/ou interchangées pour fournir d’autres réalisations. L’installation 1 de liquéfaction d’hydrogène illustrée comprend classiquement un circuit 2 d’alimentation en hydrogène ayant une extrémité amont destinée à être reliée à une source d'hydrogène gazeux (par exemple à température ambiante et à une pression comprise entre quelques bar et 40bar) et une extrémité aval reliée à au moins un stockage 8 cryogénique de l’hydrogène liquéfié. Comme schématisé, le stockage 8 cryogénique peut être muni d’au moins une conduite 11 de soutirage configurée pour permettre la fourniture d'hydrogène liquéfié à au moins un réservoir 12 à remplir, par exemple des réservoirs mobiles. L'installation 1 comprend, par exemple dans au moins une boîte froide, un ensemble d'échangeurs 3, 4, 5 de chaleur en échange thermique avec le circuit 2 d'alimentation et dispositif de refroidissement en échange thermique avec au moins une partie de l'ensemble d'échangeurs 3, 4, 5 de chaleur configuré pour refroidir le circuit 2 d'alimentation en vue de la liquéfaction de l’hydrogène. En aval de l’ensemble d’échangeurs 3, 4, 5n le circuit d’alimentation peut comporter un organe 6 de détente finale (turbine et/ou vanne par exemple). Le dispositif de refroidissement peut comprendre au moins un système 14 de pré-refroidissement (par exemple à cycle azote ou autre) configuré pour pré-refroidir l’hydrogène du circuit 2 d’alimentation jusqu’à une température de pré-refroidissement (par exemple 80K). Le dispositif de refroidissement comprend un réfrigérateur 7 cryogénique configuré pour refroidir davantage l’hydrogène en vue de sa liquéfaction, par exemple à une température de 20K. Le réfrigérateur 7 est du type à cycle de réfrigération d'un gaz de cycle dans un circuit 70 de cycle. Le gaz de cycle comprend un mélange comprenant au moins 50% en mole d'hélium et moins de 50% en mole d'hydrogène, par exemple 80% d’hélium et 20% d’hydrogène. Le mélange a une masse volumique en entrée de compresseur compatible avec une technologie de compression centrifuge. Classiquement, le circuit 70 de cycle du réfrigérateur 7 comprend un organe 17 de compression du gaz de cycle comportant un ou plusieurs compresseurs de type centrifuge, un organe 3, 4 de refroidissement du gaz de cycle (par exemple le ou les échangeurs à plusieurs passages à contre-courant), un organe 27, 37 de détente du gaz de cycle (une ou plusieurs turbine et/ou vanne(s) de détente) et un organe 5, 4, 3 de réchauffage du gaz de cycle détendu (par exemple le ou les mêmes échangeurs à contre-courant). Comme illustré, le circuit 70 de cycle peut comporter, au niveau de son extrémité plus froide, en aval d’un organe 37 de détente, un pot 47 séparateur de phase. Le pot 47 séparateur de phase peut former un thermosiphon fournissant une puissance froide à au moins un échangeur 5 de chaleur via flux de gaz de cycle. Une sortie gazeuse du pot 47 séparateur peut renvoyer un flux gazeux vers l’organe 17 de compression. L’installation 1 illustrée comprend une première conduite 10 de récupération de gaz de vaporisation reliant le stockage 8 cryogénique au circuit 70 de cycle, par exemple au niveau du pot 47 séparateur. Cette première conduite 10 de récupération est configurée pour transférer du gaz de vaporisation du stockage 8 cryogénique vers le circuit 70 de cycle. Comme illustré, l’installation 1 comporte, dans cet exemple, une seconde conduite 9 de récupération de gaz de vaporisation configurée récupérer des gaz de vaporisation (hydrogène) collectés dans les réservoir 12 à remplir et/ou dans la circuiterie prévue pour le remplissage de ces réservoirs 12 (baie de chargement par exemple). Cette seconde conduite 9 de récupération comprend une extrémité amont configurée pour être reliée à un réservoir 12 à remplir et/ou une circuiterie de remplissage d’un réservoir 12 à remplir et une extrémité aval reliée à l’installation 1. Dans cet exemple, l’extrémité aval de la seconde conduite 9 de récupération est reliée au pot 47 séparateur (via la première conduite 10 de récupération). Bien entendu, l’extrémité aval de la seconde conduite 9 de récupération pourrait être reliée directement au pot 47 séparateur ou au stockage 8 cryogénique ou à un autre endroit du circuit 70 de cycle. Cette seconde conduite 9 de récupération est configurée pour permettre de récupérer de l’hydrogène vaporisé dans des réservoirs 12 à remplir et/ou dans la circuiterie de remplissage de ces derniers dans l’installation et en particulier dans le circuit 70 de cycle. L’installation 1 comprend en outre une conduite 13 de transfert reliant le circuit 70 de cycle au circuit circuit 2 d'alimentation et configurée pour permettre de transférer du gaz de cycle dans le circuit 2 d’alimentation. Par exemple la conduite 13 de transfert prélève le gaz de cycle après pré-refroidissement et est reliée au circuit circuit 2 d'alimentation déjà pré-refroidi. Ainsi, en configuration de fonctionnement, le mélange d’hélium et d’hydrogène du gaz de cycle peut être comprimé dans le ou les compresseurs 17 centrifuges en offrant une meilleure efficacité par rapport à un gaz de cycle constitué uniquement d’hydrogène (du fait de la masse molaire relativement plus élevée de l’hélium). De l’hydrogène vaporisé peut être récupéré des réservoir 12 ou de la baie de chargement par la seconde conduite 9 de récupération. Ce gaz essentiellement composé d’hydrogène peut être admis dans le circuit 70 de cycle sans nécessiter un système de récupération distinct dédié (de même pour le gaz de vaporisation du stockage 8 cryogénique). L’ajout dans le circuit 70 de cycle d’hydrogène peut à terme diminuer la proportion relative d’hélium dans le circuit 70 de cycle. Cependant, l’installation 1 permet le transfert du gaz de cycle dans le circuit 2 d’alimentation via la conduite 13 de transfert. Ce gaz d’alimentation 2 reçoit donc une fraction d’hélium. Ce gaz d’alimentation qui contient de l’hélium, après une détente 6 finale peut produire de l’hydrogène liquide et peut en particulier de l’hydrogène liquide sous-refroidi (hydrogène liquide à une température inférieure à sa température de saturation). Le fluide refroidi et au moins partiellement liquéfié est versé dans le stockage 8 cryogénique. La partie gazeuse ou vaporisée dans le stockage contient proportionnellement plus d’hélium. Ce gaz de vaporisation riche en hélium peut être fournir au circuit 70 de cycle via la première conduite 10 de récupération. Ceci permet de maintenir une proportion d’hélium dans le gaz de cycle supérieure à seuil minimal, par exemple 50%. Tout ou partie des conduites 13, 9, 10 ou circuits peuvent comporter une ou des vanne(s) pour commander la circulation ou le débit de fluide. L’ensemble peut être contrôlé par un organe électronique comprenant un microprocesseur. Par rapport à une installation utilisant un réfrigérateur avec un cycle de réfrigération fermé, l’hydrogène liquide produit par l’installation à cycle ouvert selon l’invention peut contenir une faible proportion d’hélium résiduel. Par exemple, 0,5% en mole dans l’hydrogène liquide produit à 20K. Cependant, cette fraction d’hélium peut être aisément séparée si besoin. Installation de liquéfaction d’hydrogène comprenant un circuit (2) d’alimentation en hydrogène ayant une extrémité amont destinée à être reliée à une source d'hydrogène gazeux et une extrémité aval reliée à au moins un stockage (8) cryogénique d'hydrogène liquéfié de l'installation, le stockage (8) cryogénique étant muni d'une conduite (11) de soutirage configurée pour permettre la fourniture d'hydrogène liquéfié à au moins un réservoir (12) à remplir, par exemple un réservoir mobile, l'installation (1) comprenant un ensemble d'échangeur(s) (3, 4, 5) de chaleur en échange thermique avec le circuit (2) d'alimentation et dispositif de refroidissement en échange thermique avec au moins une partie de l'ensemble d'échangeur (s) (3, 4, 5) de chaleur configuré pour refroidir le circuit (2) d'alimentation, le dispositif de refroidissement comprenant un réfrigérateur (7) cryogénique à cycle de réfrigération d'un gaz de cycle dans un circuit (70) de cycle, le gaz de cycle comprenant un mélange comprenant au moins 50% en mole d'hélium et moins de 50% en mole d'hydrogène, le circuit (70) de cycle du réfrigérateur (7) comprenant un organe (17) de compression du gaz de cycle comportant au moins un compresseur de type centrifuge, un organe (3, 4) de refroidissement du gaz de cycle, un organe (27, 37) de détente du gaz de cycle et un organe (5, 4, 3) de réchauffage du gaz de cycle, l’installation (1) comprenant au moins une conduite (9, 10) de récupération de gaz de vaporisation configurée pour récupérer de l’hydrogène gazeux par exemple généré lors de la fourniture d'hydrogène liquéfié à au moins un réservoir (12) à remplir, la conduite (9, 10) de récupération de gaz de vaporisation étant reliée au circuit (70) de cycle pour réinjecter ce gaz de vaporisation dans le circuit de cycle, l’installation (1) comprenant en outre une conduite (13) de transfert reliant le circuit (70) de cycle au circuit circuit (2) d'alimentation et configurée pour permettre de transférer du gaz de cycle dans le circuit (2) d’alimentation. Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce qu’elle comporte une première conduite (10) de récupération de gaz de vaporisation reliant le stockage (8) cryogénique au circuit (70) de cycle configurée pour transférer du gaz de vaporisation du stockage (8) cryogénique vers le circuit (70) de cycle. Installation selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce qu’elle comporte une seconde conduite (9) de récupération de gaz de vaporisation comprenant une extrémité aval reliée au stockage (8) cryogénique et/ou au circuit (70) de cycle et une extrémité amont configurée pour être reliée à un réservoir (12) à remplir et/ou une circuiterie de remplissage d’un réservoir (12) à remplir, la seconde conduite (9) de récupération étant configurée pour transférer du gaz de vaporisation d’un réservoir (12) à remplir et/ou d’une circuiterie de remplissage d’un réservoir (12) à remplir vers le stockage (8) cryogénique et/ou le circuit (70) de cycle. Installation selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le circuit (70) de cycle comporte, en aval d’un organe (37) de détente, un pot (47) séparateur de phase. Installation selon la revendication 4, caractérisée en ce que la au moins une conduite (9, 10) de récupération de gaz de vaporisation est reliée au pot (47) séparateur de phase. Installation selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le circuit (2) d'alimentation comprend un organe (6) de détente finale situé entre l’ensemble d'échangeur(s) (3, 4, 5) de chaleur et le stockage (8) cryogénique. Procédé de liquéfaction d’hydrogène utilisant une installation conforme à l’une quelconque des revendications précédentes, le procédé comprenant une étape de récupération (9) de gaz de vaporisation constitués majoritairement d’hydrogène dans le circuit (70) de cycle du réfrigérateur (7), une étape de transfert d’une quantité déterminée de gaz de cycle dans le circuit circuit (2) d'alimentation et une étape de récupération (10) de gaz de vaporisation comprenant majoritairement de l’hélium du stockage cryogénique vers le circuit (70) de cycle. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l’installation est configurée pour maintenir un taux d’hélium dans le circuit (70) de cycle supérieure à un seuil déterminé.