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FR2928991A1 - Dispositif et procede de stockage et de delivrance d'un gaz ainsi que son utilisation - Google Patents

Dispositif et procede de stockage et de delivrance d'un gaz ainsi que son utilisation Download PDF

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FR2928991A1
FR2928991A1 FR0851743A FR0851743A FR2928991A1 FR 2928991 A1 FR2928991 A1 FR 2928991A1 FR 0851743 A FR0851743 A FR 0851743A FR 0851743 A FR0851743 A FR 0851743A FR 2928991 A1 FR2928991 A1 FR 2928991A1
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FR
France
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gas
cold
cold environment
circuit
turbine
Prior art date
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FR0851743A
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English (en)
Inventor
Souza Guillaume De
Mathieu Lefebvre
Sitra Colom
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Air Liquide SA
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Original Assignee
Air Liquide SA
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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Abstract

Dispositif de stockage et de délivrance d'un gaz, en particulier de l'hydrogène gazeux, comprenant un réservoir (1) de stockage du gaz sous forme gazeuse, sous pression et à une température cryogénique, le dispositif comportant une ambiance froide (6) formée autour du gaz stocké pour maintenir ce dernier à une température cryogénique inférieure à 100K et de préférence comprise entre 60 et 80K et encore plus préférentiellement à une température de 77K, un circuit (5) de soutirage du gaz connecté à un organe (8) utilisateur du gaz soutiré, le circuit (5) de soutirage comprenant une turbine (13) de détente du gaz sous pression soutiré, le circuit (5) de soutirage du gaz du réservoir (1 ) comprenant, en aval de la turbine (13) de détente, une portion (15) en échange thermique direct ou indirect avec l'ambiance froide (6) formée autour du gaz stocké.

Description

La présente invention concerne un dispositif et un procédé de stockage et de délivrance d'un gaz, en particulier de l'hydrogène gazeux, ainsi que leur utilisation. Afin de permettre la diffusion de l'hydrogène en tant que combustible pour le transport ou pour l'alimentation de sites isolés, il est nécessaire de mettre en cure des systèmes de stockages sûrs et ayant des densités massique et volumique suffisantes. Pour ce faire, il existe plusieurs options permettant d'augmenter la densité du gaz hydrogène stocké, par exemple : - les stockages de gaz à haute ou très haute pression qui sont constitués d'un réservoir (bouteille) pouvant être soumis à une pression de plusieurs centaines de bars - les stockages sous forme liquide (dépendant de la température de liquéfaction du gaz). Si l'on prend pour exemple le transport routier, l'autonomie d'un véhicule 15 dépendra de la quantité de gaz stocké, et donc de la masse et du volume du stockage haute pression. Classiquement, le stockage à haute pression est utilisé à température ambiante. Les réservoirs sont de forme cylindrique et les matériaux utilisés peuvent être : 20 - de l'acier, - de l'acier renforcé de fibres (carbone ou verre), - de l'acier entièrement bobiné de fibre de carbone (acier utilisé pour rendre le stockage imperméable et le bobinage pour la résistance structurelle) ou 25 - du plastique bobiné de fibre de carbone (plastique utilisé pour l'imperméabilité et le bobinage pour la résistance structurelle). Les pressions de stockage actuelles sont de l'ordre de 200 bars pour les stockages acier et jusqu'à 350 ou 700 bars ou au-delà pour les stockages composites. Les meilleures densités massiques obtenues aujourd'hui sont de 4% 30 à 6,5% pour les stockages composites d'hydrogène. La densité volumique d'un stockage d'hydrogène à haute pression à température ambiante à 350 bars est de 23kg H2/m3 et l'énergie de compression à 350 bars est de l'ordre de 0,25 kWh/Nm3 H2.
Pour des pressions encore plus élevées, de l'ordre de 700 bars, cette densité volumique passe à 39 kg H2/m3 et l'énergie de compression à 700 bars est de l'ordre de 0,29 kWh/Nm3 H2. Pourtant ce gain significatif de 68% en densité volumique H2 n'est pas encore vraiment valorisé du fait de l'augmentation du poids de la structure servant de réservoir. Selon les applications visées, cette solution de stockage est encore peu avantageuse car la quantité de gaz stocké par rapport au volume et au poids total du stockage reste encore faible. Une autre forme de stockage envisagée est l'emploi d'hydrogène liquéfié qui offre une très grande densité volumique (70,3 kg H2/m3) mais qui nécessite la mise enœ vre d'un réservoir capable de maintenir en froid une masse importante de liquide (à 20K) et cela quelque soit les conditions de température extérieur. Ceci impose alors de maîtriser parfaitement l'isolation thermique du réservoir. En supposant ceci possible, la forte énergie de liquéfaction de l'hydrogène, qui est de 1,4 kWh/Nm3 LH2 pour les grands liquéfacteurs, devient très pénalisante.
En effet, si nous considérons une pile à combustible consommant 0,7 Nm3 H2/kWe. Elle consomme 2,09 kWth / kWe H2 ce qui correspond à un rendement de conversion de 47,7%. De la même façon, on peut définir cette pile à combustible en disant qu'elle produit 1,43 kWe / Nm3/h d'Hydrogène consommé. Nous voyons alors que l'énergie électrique nécessaire à la liquéfaction de 1 Nm3/h d'H2 correspond à peu de chose près à l'énergie produite par ce même Nm3/h d'H2 par la pile à combustible. Ainsi, pour consommer 1 kWe à la roue d'un véhicule, il faut avoir consommé 0,98 kWe pour liquéfier l'hydrogène, ceci sans compter le rendement électrique de production de l'électricité employée à la liquéfaction qui ne dépasse pas les 50% (supposé à partir d'énergies fossiles). Ainsi, pour un kWe à la roue on aura consommé 1,96 kW thermique soit un rendement de 51%. Par comparaison avec un stockage de 350 bars à température ambiante, pour avoir 1 kWe à la roue du véhicule, on consomme 0,175 kWe pour comprimer l'H2. En prenant un rendement de conversion électrique de 50%, le rendement kWe roue/kWth peut être estimé à 35,6% environ. A la vue de ces éléments, les solutions les plus viables énergétiquement pour le stockage de l'hydrogène sont, au moins pour certaines applications, celles liées à la haute pression mais leur densité de stockage reste deux fois moindre que la solution de stockage sous forme liquide. Une solution intermédiaire consiste à stocker du gaz pressurisé à une température relativement basse. L'invention s'intéresse donc à une solution permettant d'optimiser les densités de stockage massique et volumique de l'hydrogène tout en maintenant une énergie et une structure de stockage acceptables. L'invention peut concerner un stockage à haute pression dans un caisson basse pression de liquide cryogénique. Ce second caisson est de préférence lui- même isolé du milieu extérieur, pour limiter les pertes thermique. Ainsi, descendre la température du gaz stocké sous pression à 80°K environ permet de multiplier par 2,5 à 3 la densité massique du gaz. Pour l'hydrogène, ce facteur est de 2,7 ce qui est intéressant puisque l'énergie de compression nécessaire n'a elle augmenté que d'un facteur égal à 2,2. De plus, la densité de stockage est montée à 63 kg/m3 ce qui se rapproche de la solution de stockage sous forme liquide (70,3 kg/m3) mais avec une énergie de mise encawre moindre (0,55 kWh/Nm3 au lieu de 1, 4 kWh/Nm3 pour la liquéfaction). Le maintien en froid est entretenu de préférence par mise enoEuvre d'un cycle de réfrigération permettant de compenser les pertes thermique vers le milieu extérieur. Ce cycle de réfrigération peut utiliser un compresseur pour liquéfier le fluide caloporteur (par exemple de l'azote) évaporé du fait des pertes de frigories du système isolé. L'arbre du compresseur peut être entraîné par un moteur lui-même alimenté par une source d'énergie auxiliaire, ou une pile à combustible dédiée ou par une turbine alimentée par la détente d'une partie du gaz à haute pression stocké. Un calcul correspondant à l'alimentation d'un autobus de 40 tonnes faisant 200 km/jour a été réalisé et démontre que, pour une puissance maximale produite de 143 kWe, un débit de 100 Nm3/h d'hydrogène suffit et qu'en phase de déplacement, la perte thermique du caisson d'azote liquide (2m x 2,5m x 0,5m contenant cinq réservoirs à haute pression de 0,3 m3 chacun) correspond à la vaporisation de 5 Nm3/h d'azote. Cet azote vaporisé perdu peut être reliquéfié via un cycle froid consommant seulement 0,25 kW ce qui ne représente que 0, 18% de l'énergie fournie par une pile à combustible typique.
Un but de la présente invention est de pallier tout ou partie des inconvénients de l'art antérieur relevés ci-dessus. A cette fin, le dispositif selon l'invention concerne un dispositif de stockage et de délivrance d'un gaz, en particulier de l'hydrogène gazeux, comprenant un réservoir de stockage du gaz sous forme gazeuse, sous pression et à une température cryogénique, le dispositif comportant une ambiance froide formée autour du gaz stocké pour maintenir ce dernier à une température cryogénique inférieure à 100K et de préférence comprise entre 60 et 80K et encore plus préférentiellement à une température de 77K, un circuit de soutirage du gaz connecté à un organe utilisateur du gaz soutiré, le circuit de soutirage comprenant une turbine de détente du gaz sous pression soutiré, le circuit de soutirage du gaz du réservoir comprenant, en aval de la turbine de détente, une portion en échange thermique direct ou indirect avec l'ambiance froide formée autour du gaz stocké. Cette solution de stockage cryogénique haute pression permet donc d'augmenter l'autonomie des véhicules utilisant un gaz combustible stocké à haute pression, sans augmenter le poids ou le volume du stockage tout en permettant une bonne maîtrise des consommations énergétiques de maintien en froid. Selon d'autres particularités possibles : - le dispositif comporte un groupe froid conformé pour générer ou maintenir l'ambiance froide autour du gaz stocké à une température cryogénique via un cycle de compression/détente thermodynamique d'un fluide de travail, le groupe froid comprenant un compresseur monté sur un axe entraîné par un moteur apte à être alimenté électriquement via une alimentation, le compresseur étant apte à être couplé mécaniquement à l'axe de la turbine pour transférer sélectivement de l'énergie mécanique générée par la détente du gaz soutiré à l'entraînement du compresseur du groupe froid, - le circuit de soutirage du gaz du réservoir comprend, en aval de la portion en échange thermique avec l'ambiance froide, un échangeur de réchauffage du gaz soutiré et une connexion fluidique à l'entrée d'alimentation de l'organe utilisateur, - le dispositif comporte une connexion électrique apte à connecter le moteur à une alimentation électrique telle qu'un réseau, - l'organe utilisateur comprend une pile à combustible, - le réservoir comprend une double enveloppe d'isolation, l'ambiance froide étant formée dans la double enveloppe et comprenant un bain de gaz froid liquéfié tel que de l'azote liquide, - le groupe froid est conformé pour générer ou refroidir le bain de gaz froid liquéfié autour du gaz stocké, pour compenser les déperditions thermiques notamment par vaporisation. L'invention concerne également un procédé de stockage et de délivrance de gaz. A cet effet, le procédé de stockage et de délivrance d'un gaz, en particulier 10 de l'hydrogène gazeux, comprend les étapes suivantes : -disposer le gaz dans un réservoir de stockage sous forme gazeuse et à une pression comprise entre 200bar et 500bar et de préférence 350 bar, le gaz dans le réservoir étant maintenu à une température cryogénique inférieure à 100K et de préférence entre 60 et 80K, par exemple à une 15 température de 77K, - entretenir une ambiance froide autour du gaz stocké pour maintenir ce dernier à la température cryogénique, - soutirer et détendre du gaz du réservoir, - maintenir l'ambiance froide en réalisant un échange thermique direct ou 20 indirect entre le gaz soutiré détendu et l'ambiance froide. Selon d'autres particularités possibles, le procédé comprend l'une au moins des étapes suivantes : - maintenir l'ambiance froide en utilisant l'énergie mécanique de détente du gaz soutiré pour produire du froid, 25 -maintenir l'ambiance froide en utilisant un groupe froid alimenté électriquement via un réseau et/ou une pile (8) à combustible. L'invention concerne également une utilisation dudit dispositif ou dudit procédé pour le stockage et la délivrance de gaz combustible de type hydrogène à bord d'un véhicule, notamment d'un bus. 30 Selon d'autres particularités possibles, le réservoir de stockage est rempli en gaz à partir d'une station comprenant une première réserve de gaz et une seconde réserve de gaz froid liquéfié destinée à former l'ambiance froide. L'invention peut concerner également tout dispositif ou procédé alternatif comprenant toute combinaison des caractéristiques ci-dessus ou ci-dessous.
D'autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description ci-après, faite en référence à la figure unique qui représente schématiquement la structure et le fonctionnement d'un exemple de réalisation non limitatif de l'invention.
Dans l'exemple de réalisation de la figure 1 le dispositif de stockage et de délivrance comporte un réservoir 1 de gaz sous pression (stockage à haute pression par exemple 350 bar environ). Ce réservoir 1 de gaz haute pression est par exemple disposé dans un caisson 60 basse pression de liquide cryogénique (bain 6 d'azote liquide). Ce second caisson 60 est de préférence lui-même isolé du milieu extérieur pour limiter les pertes thermiques (isolation sous vide par exemple). Un circuit 5 permet de soutirer le gaz sous pression du réservoir 1 via une turbine 13 de détente. En aval de la turbine 13, le circuit 5 de soutirage comprend une portion 15 apte à être mise sélectivement en échange thermique direct ou indirect avec le bain 6 d'azote liquide. De cette façon, les frigories produites lors de la détente du gaz soutiré sont utilisées pour refroidir ou maintenir en froid le bain cryogénique 6 (ambiance froide). Encore en aval, le circuit de soutirage 5 peut comporter un échangeur 7 de réchauffage et une connexion vers un organe 8 utilisateur tel qu'une pile à combustible.
En plus (ou à la place) de l'échange thermique 15 avec le gaz détendu, le dispositif peut comporter un groupe froid 2 prévu pour assurer ou maintenir l'ambiance froide 2 autour du gaz stocké sous pression. Un tel groupe froid 2 peut utiliser classiquement un fluide frigorigène subissant un cycle thermodynamique (compression à l'état gazeux, condensation, détente à l'état liquide, évaporation) pour produire du froid (azote liquide par exemple). La chaleur générée par le groupe froid 2 est restituée vers l'extérieur au niveau d'un condenseur. Les systèmes de production de froid à compression mécanique sont les systèmes les plus classiquement rencontrés. Ce type de groupe froid consomme de l'énergie mécanique, essentiellement fournie par consommation d'électricité dans un compresseur 3 (mais aussi dans les auxiliaires : pompes, ventilateurs des condenseurs...). Le compresseur 3 est ainsi entraîné de préférence par un moteur 4 électrique via un axe d'entraînement.
De préférence, l'axe de la turbine 13 de détente peut être couplé à l'axe d'entraînement du compresseur 3 pour transférer de l'énergie mécanique générée par la détente au compresseur 3 du groupe froid 2. Le dispositif peut être monté sur un véhicule 115 tel qu'un bus par exemple.
Une station 16 de remplissage peut assurer le remplissage du gaz sous pression dans le réservoir 1 à partir d'une réserve de gaz 11 sous pression. Si nécessaire la station 6 comprend un compresseur 14 (si la pression de stockage de la réserve 11 est inférieure à la pression cible du réservoir 1). La station 16 peut comporter également une source 12 de liquide cryogénique (azote liquide par exemple) destinée à alimenter le caisson 60 pour former l'ambiance froide 6. L'invention peut s'appliquer notamment à une flotte captive de véhicule ayant un besoin de stockage de combustible important pour leur rotation (bus, camion de ramassage des poubelles, etc.) et étant remplis dans une station de remplissage centralisée de taille importante justifiant d'un stockage d'azote liquide et d'hydrogène à haute pression (par exemple 200bar). Le remplissage en hydrogène du réservoir 1 à la température de 80K et à la pression de 350bar peut être réalisé via un échangeur 17 de refroidissement alimenté par l'azote liquide. L'échangeur 17 de refroidissement est situé de préférence après l'étage de compression 14 (si la source 11 a une pression insuffisante nécessitant une compression lors du remplissage). Pour conserver l'hydrogène gazeux à une température cryogénique dans le réservoir 1 embarqué (80K par exemple), il est nécessaire de compenser la déperdition thermique du réservoir (ambiance froide 6).
L'entretien du froid (ambiance froide 6) pour compenser les déperditions thermiques du stockage peut être réalisée par le groupe froid 2 dont le compresseur est entraîné par l'axe de la turbine 13 alimentée par la détente de l'hydrogène stocké à haute pression et/ou par un moteur 4 électrique alimenté et/ou par une alimentation extérieure 10 et/ou par la pile à combustible 8 du bus 115. Les frigories produites par la détente 13 de l'hydrogène sont transmises à l'azote 6 liquide par un échangeur 15. Si le régime minimum de la pile 8 à combustible (alimentation des auxiliaires) est suffisant, il n'y a pas nécessité d'un groupe froid 2, les frigories générées par la détente 13 du débit minimal de gaz suffisent à entretenir le froid.
Le maintien du froid 6 lorsque le système est arrêté peut être réalisé de plusieurs manières. Une première solution consiste à brancher le bus 115 au réseau 10 électrique pour alimenter le moteur 4 électrique entraînant le compresseur 3 du groupe froid 2. Une deuxième solution consiste à prévoir une connexion directe de l'ambiance froide 6 avec une source 12 d'azote liquide permettant de compenser les pertes d'azote évaporé. Une autre solution peut consister à purger le réservoir 1 ou 6. L'invention propose ainsi un stockage offrant un bon compromis poids/capacité de stockage/rendement énergétique total. L'invention permet en particulier de gérer à moindre coût énergétique un stockage froid ayant une bonne capacité de stockage. L'invention permet un gain en terme de capacité de stockage (stockage sous pression et maintien en froid) supérieur à la perte due à la consommation énergétique nécessaire au maintien en froid. En utilisation, c'est de préférence l'hydrogène sortant du stockage qui permet de maintenir en froid le réservoir. Hors utilisation on peut brancher le stockage à une alimentation 10 électrique et/ou une alimentation 12 en froid (azote liquide par exemple). L'invention s'applique avantageusement notamment à des flottes captives de véhicules.
L'invention améliore la sûreté du stockage de gaz par une diminution de la pression pour une même quantité stockée. L'invention permet de valoriser le froid du gaz soutiré pour, par exemple, reliquéfier l'azote de maintien en froid.

Claims (11)

REVENDICATIONS
1. Dispositif de stockage et de délivrance d'un gaz, en particulier de l'hydrogène gazeux, comprenant un réservoir (1) de stockage du gaz sous forme gazeuse, sous pression et à une température cryogénique, le dispositif comportant une ambiance froide (6) formée autour du gaz stocké pour maintenir ce dernier à une température cryogénique inférieure à 100K et de préférence comprise entre 60 et 80K et encore plus préférentiellement à une température de 77K, un circuit (5) de soutirage du gaz connecté à un organe (8) utilisateur du gaz soutiré, le circuit (5) de soutirage comprenant une turbine (13) de détente du gaz sous pression soutiré, le circuit (5) de soutirage du gaz du réservoir (1) comprenant, en aval de la turbine (13) de détente, une portion (15) en échange thermique direct ou indirect avec l'ambiance froide (6) formée autour du gaz stocké.
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un groupe froid (2) conformé pour générer ou maintenir l'ambiance (6) froide autour du gaz stocké à une température cryogénique via un cycle de compression/détente thermodynamique d'un fluide de travail, le groupe froid (2) comprenant un compresseur (3) monté sur un axe entraîné par un moteur (4) apte à être alimenté électriquement via une alimentation (10), le compresseur (3) étant apte à être couplé mécaniquement à l'axe de la turbine (13) pour transférer sélectivement de l'énergie mécanique générée par la détente du gaz soutiré à l'entraînement du compresseur (3) du groupe froid (2).
3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le circuit (5) de soutirage du gaz du réservoir (1) comprend, en aval de la portion (15) en échange thermique avec l'ambiance froide (6), un échangeur (7) de réchauffage du gaz soutiré et une connexion (9) fluidique à l'entrée d'alimentation de l'organe (8) utilisateur.
4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comporte une connexion (10) électrique apte à connecter le moteur (4) à une alimentation électrique telle qu'un réseau.
5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'organe (8) utilisateur comprend une pile à combustible.
6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le réservoir (1) comprend une double enveloppe d'isolation, l'ambiance froide (6) étant formée dans la double enveloppe et comprenant un bain de gaz froid liquéfié tel que de l'azote liquide.
7. Dispositif selon les revendications 2 et 6, prises en combinaison, caractérisé en ce que le groupe froid (2) est conformé pour générer ou refroidir le bain (6) de gaz froid liquéfié autour du gaz stocké, pour compenser les déperditions thermiques notamment par vaporisation.
8. Procédé de stockage et de délivrance d'un gaz, en particulier de l'hydrogène gazeux, comprenant les étapes suivantes : - disposer le gaz dans un réservoir (1) de stockage sous forme gazeuse et à une pression comprise entre 200bar et 500bar et de préférence 350 bar, le gaz dans le réservoir (1) étant maintenu à une température cryogénique inférieure à 100K et de préférence entre 60 et 80K, par exemple à une température de 77K, - entretenir une ambiance froide (6) autour du gaz stocké pour maintenir ce dernier à la température cryogénique, - soutirer et détendre du gaz du réservoir (1), - maintenir l'ambiance froide (6) en réalisant un échange thermique direct ou indirect entre le gaz soutiré détendu et l'ambiance froide (6).
9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comprend l'une au moins des étapes suivantes : - maintenir l'ambiance froide (6) en utilisant l'énergie mécanique de détente du gaz soutiré pour produire du froid, - maintenir l'ambiance froide (6) en utilisant un groupe froid (2) alimenté électriquement via un réseau et/ou une pile (8) à combustible.
10. Utilisation du dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 ou du procédé selon l'une quelconque des revendications 8 à 9 pour le stockage et la délivrance de gaz combustible de type hydrogène à bord d'un véhicule (15), notamment d'un bus.
11. Utilisation selon la revendication 10, caractérisé en ce que le réservoir (1) de stockage est rempli en gaz à partir d'une station (16) comprenant une première réserve (11) de gaz et une seconde (12) réserve de gaz froid liquéfié destinée à former l'ambiance froide (6).
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