EP4596950B1 - Installation et procédé de stockage et de distribution de fluide cryogénique - Google Patents

Installation et procédé de stockage et de distribution de fluide cryogénique

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EP4596950B1
EP4596950B1 EP24218287.1A EP24218287A EP4596950B1 EP 4596950 B1 EP4596950 B1 EP 4596950B1 EP 24218287 A EP24218287 A EP 24218287A EP 4596950 B1 EP4596950 B1 EP 4596950B1
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EP
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vaporization gas
pressure
pump
reservoir
compressor
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Cyril BENISTAND-HECTOR
Rasmey TRY
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LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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Air Liquide SA
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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Description

  • L'invention concerne une installation et un procédé de stockage et de distribution de fluide cryogénique.
  • US2291678A divulgue une installation de stockage et de distribution de gaz liquéfié.
  • L'invention concerne plus particulièrement une installation de stockage et de distribution de fluide cryogénique, par exemple d'hydrogène liquide, comprenant un réservoir cryogénique enterré sous le sol, un circuit de soutirage de liquide comprenant une extrémité amont reliée au réservoir et une extrémité aval située au-dessus du sol et destinée à être reliée à un utilisateur, le circuit de soutirage comprenant, disposée au-dessus du sol, une pompe cryogénique, l'installation comprenant une conduite de récupération de gaz de vaporisation générés au sein de la pompe ayant une extrémité amont reliée à la pompe et une extrémité aval reliée au réservoir.
  • L'encombrement du stockage d'hydrogène est un enjeu majeur. Une solution est le stockage sous terre. Cependant, l'association d'un stockage cryogénique enterré avec des pompes de remplissage sur sol pose le problème d'alimentation de ces pompes lors de leurs différentes phases de vie. L'alimentation en liquide de la pompe est traditionnellement réalisée par gravité, en ayant assez de niveau liquide dans le stockage pour que le liquide atteigne bien l'entrée de la pompe. De plus, dans les stations de carburants cryogéniques, la pompe nécessite une mise en froid lors de son démarrage et provoque l'évaporation d'une partie de son alimentation (gaz de vaporisation « BOG »). Ce gaz de vaporisation est le plus souvent renvoyé vers le stockage par des lignes qui acheminent le gaz vers le haut du stockage. Lorsque le stockage est au-dessus de la pompe, ce retour s'effectue naturellement. Cette fonction devient plus difficile à assurer dans une configuration où le point haut du stockage est plus bas que l'entrée de la pompe.
  • 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 la conduite de récupération des gaz de vaporisation comprend au moins un dispositif de régulation de pression et/ou de débit du gaz de vaporisation renvoyé au réservoir, le dispositif de régulation de pression et/ou de débit étant configuré pour réguler la pression au sein du réservoir à un niveau de pression supérieur à la pression à l'entrée de la pompe.
  • Cet agencement permet de garantir une bonne alimentation de la pompe pour s'assurer de son fonctionnement en permettant la récupération des gaz de vaporisation de la pompe dans le stockage pour diminuer les pertes globales de la station.
  • Par ailleurs, des modes de réalisation de l'invention peuvent comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :
    • le dispositif de régulation de pression et/ou de débit est configuré pour réguler la pression au sein du réservoir à un niveau compris entre 5mbar et 500mbar au-dessus de la pression à l'entrée de la pompe,
    • le dispositif de régulation de pression et/ou de débit comprend au moins l'un parmi : un réchauffeur, un échangeur de chaleur, un compresseur, par exemple un compresseur cryogénique,
    • le dispositif de régulation de pression et/ou de débit comprend, disposés en série, un échangeur de chaleur de réchauffage, un compresseur,
    • la conduite de récupération des gaz de vaporisation comprend deux passages distincts dans l'échangeur de chaleur de réchauffage respectivement avant et après compression dans le compresseur pour assurer respectivement un réchauffage du gaz de vaporisation avant compression et un refroidissement avant injection dans le réservoir,
    • la conduite de récupération des gaz de vaporisation comprend une ligne de bypass de l'échangeur de chaleur et un ensemble de vanne (s) configurés pour permettre à au moins une partie du flux de gaz de vaporisation d'éviter un passage dans l'échangeur de chaleur,
    • la conduite de récupération des gaz de vaporisation comprend un piquage muni d'une vanne vers une zone d'évacuation,
    • l'installation comprend un dispositif de pressurisation du réservoir autonome et distinct de la conduite de récupération des gaz de vaporisation et du dispositif de régulation,
    • L'invention concerne également un procédé de soutirage de fluide utilisant une installation selon l'une quelconque des caractéristiques ci-dessus ou ci-dessous, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : pompage de liquide cryogénique du réservoir via la pompe, récupération de gaz de vaporisation générés au niveau de la pompe, compression des gaz de vaporisation récupérés et injection des gaz comprimés dans le réservoir à une pression déterminée.
  • Selon d'autres particularités possibles :
    • la compression des gaz de vaporisation récupérés est réalisée avec un compresseur cryogénique ou avec un compresseur non cryogénique, les gaz de vaporisation étant réchauffés avant la compression dans le cas du compresseur non cryogénique,
    • la compression des gaz de vaporisation récupérés est réalisée avec un compresseur non cryogénique et comporte en outre une étape de refroidissement des gaz de vaporisation comprimés via un échange de chaleur avec le flux de gaz de vaporisation en amont du compresseur.
  • 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 en coupe verticale décrivant 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 stockage et de distribution de fluide cryogénique illustrée peut être utilisée par exemple pour de l'hydrogène liquide. L'installation comprend un réservoir 11 cryogénique enterré sous le sol et un circuit 20 de soutirage de liquide comprenant une extrémité amont reliée au réservoir 11 et une extrémité aval située au-dessus du sol et destinée à être reliée à un utilisateur.
  • Le circuit 20 de soutirage comprend, disposée au-dessus du sol, une pompe 2 cryogénique.
  • L'installation 1 comprenant une conduite 3 de récupération de gaz de vaporisation générés au sein de la pompe 2 ayant une extrémité amont reliée à la pompe 2 et une extrémité aval reliée au réservoir 11. Cette conduite 3 de récupération des gaz de vaporisation comprend au moins un dispositif de régulation de pression et/ou de débit du gaz de vaporisation renvoyé au réservoir 11. Ce au moins un dispositif 8, 9 de régulation de pression et/ou de débit étant configuré pour réguler la pression au sein du réservoir 11 à un niveau de pression supérieur à la pression à l'entrée de la pompe 2.
  • Ce dispositif de régulation de pression et/ou de débit est configuré de préférence pour réguler la pression au sein du réservoir 11 au-dessus de la pression à l'entrée de la pompe de façon pour surpasser la hauteur hydrostatique entre le réservoir et l'entrée de la pompe 2. Par exemple, le dispositif de régulation de pression et/ou de débit est configuré pour réguler la pression au sein du réservoir un niveau compris entre 5mbar et 500mbar au-dessus de la pression à l'entrée de la pompe, par exemple entre 5mbar et 100mbar au-dessus de la pression à l'entrée de la pompe.
  • Le dispositif de régulation de pression et/ou de débit comprend au moins l'un parmi : un réchauffeur 8, un échangeur 7 de chaleur, un compresseur 9, par exemple un compresseur cryogénique. Par souci de simplification, la [Fig. 1] représente les trois composants précités en série. Bien entendu, un ou deux seulement peuvent être prévus.
  • Le dispositif de régulation de pression et/ou de débit peut comprendre ou être constitué par exemple d'un échangeur 7 de chaleur de réchauffage en série avec un compresseur 9.
  • Le gaz de vaporisation produit par la pompe 2 est réchauffé dans l'échangeur de chaleur 7 et peut ensuite être renvoyé dans le réservoir 11.
  • Le réservoir 11 peut ainsi être maintenu en pression pour assurer une alimentation efficace de la pompe 2. La pompe 2, qui est relativement en hauteur, est donc à une pression plus faible que celle du réservoir 11. Cette dépression représente par exemple entre 10 et 100 mbar, car cela est la pression nécessaire pour vaincre la hauteur manométrique entre le réservoir 11 et l'admission de la pompe 2 et les pertes de charges de la ligne d'admission. Le recyclage de gaz de vaporisation de la pompe 2 dans le réservoir 11 permet de compenser cette différence de pression relative.
  • Cette architecture permet de récupérer des gaz de vaporisation générés par la pompe 2 lors de ses différentes phases de fonctionnement. Lors de son démarrage, la pompe 2 produit des gaz de vaporisation en quantité relativement importante. Après mise en froid, lors de son fonctionnement, la pompe 2 génère des gaz de vaporisation en quantité plus réduite, par exemple en raison de fuites, d'entrées thermiques, ....
  • Ces gaz de vaporisation peuvent être collectés et renvoyés au réservoir 11 via la conduite 3 de récupération.
  • Ceci permet de récupérer l'intégralité ou une partie seulement de ces gaz de vaporisation lors de ces différentes phases de fonctionnement.
  • Les gaz de vaporisation sont collectés dans la conduite 3 de récupération, sont réchauffés dans l'échange 7 de réchauffage et comprimés avant d'être renvoyés dans le réservoir. Le compresseur 9 permet de circuler le débit de gaz de vaporisation en le comprimant à la pression du réservoir, par exemple à un niveau de quelques dizaines de millibars.
  • Le gaz de vaporisation comprimé peut repasser dans l'échangeur 7 de chaleur de réchauffage pour être refroidi avant d'être réinjecté dans le réservoir 11.
  • Si cet échangeur 7 de réchauffage n'est pas suffisant pour réchauffer le gaz avant compression (débit de gaz de vaporisation trop important, température trop froide en entrée, ...), un échangeur 8 (réchauffeur) supplémentaire peut être prévu pour compléter le réchauffage jusqu'à une température déterminée (la température ambiante ou température d'admission du compresseur).
  • Ce réchauffeur 8 facultatif est représenté en pointillés entre l'échangeur 7 de réchauffage et le compresseur 9.
  • Comme illustré, une vanne 5, par exemple d'isolation, peut être disposée en série entre la pompe 5 et l'échangeur 7 de chaleur de réchauffage. De même, une vanne 5 est de préférence prévue en amont de la pompe 2. Une vanne 5 peut également être prévue entre l'échangeur 7 de réchauffage et le compresseur 9. De même, un clapet 4 anti-retour peut être prévu en amont de la pompe 2.
  • Comme illustré, la conduite de récupération des gaz de vaporisation peut réaliser deux passages distincts (de préférence à contre-courant) dans l'échangeur 7 de chaleur de réchauffage respectivement avant et après compression dans le compresseur 9 pour assurer respectivement un réchauffage du gaz de vaporisation avant compression et un refroidissement avant injection du gaz comprimé dans le réservoir 11.
  • Comme schématisé, la conduite 3 de récupération des gaz de vaporisation peut comprendre en outre une ligne 13 de bypass de l'échangeur de chaleur et un ensemble de vanne(s) 23 configurés pour permettre à au moins une partie du flux de gaz de vaporisation d'éviter un passage dans l'échangeur 7 de chaleur. Par exemple, la ligne 13 de bypass permet à tout ou partie du flux de gaz de vaporisation comprimé d'éviter le second passage dans l'échangeur 7 de réchauffage. Ceci permet d'augmenter la température des gaz de vaporisation comprimés avant renvoi dans le réservoir 11 pour stabiliser la pression dans le réservoir 11 si elle monte trop vite.
  • Comme illustré également, la conduite 3 de récupération des gaz de vaporisation peut comprendre un piquage 33 muni d'une vanne vers une zone d'évacuation. Ce piquage peut être situé entre l'échangeur 7 de réchauffage et l'entrée du compresseur 9.
  • Le réservoir 11 peut comprendre un dispositif 10 de pressurisation autonome configuré pour augmenter sa pression le cas échéant (par soutirage, réchauffage et réinjection de fluide).
  • Cette récupération et valorisation des gaz de vaporisation permet de maintenir le réservoir 11 en surpression par rapport à la pompe 2. Ceci garantit une bonne admission en continu dans la pompe 2. Si les gaz de vaporisation récupérés sont insuffisants pour maintenir la pression assez haute lors du fonctionnement de la pompe, le dispositif 10 de pressurisation peut être utilisé pour pressuriser le réservoir 11.
  • Bien entendu, l'invention n'est pas limitée à cet exemple de réalisation décrit ci-dessus.
  • Ainsi, par exemple, l'échangeur 7 de chaleur de réchauffage et le compresseur 9 pourraient être remplacés par un compresseur cryogénique (qui peut comprimer le gaz à température cryogénique sans besoin d'un réchauffement préalable).

Claims (11)

  1. Installation de stockage et de distribution de fluide cryogénique, par exemple d'hydrogène liquide, comprenant un réservoir (11) cryogénique enterré sous le sol, un circuit (20) de soutirage de liquide comprenant une extrémité amont reliée au réservoir (11) et une extrémité aval située au-dessus du sol et destinée à être reliée à un utilisateur, le circuit (20) de soutirage comprenant, disposée au-dessus du sol, une pompe (2) cryogénique, l'installation (1) comprenant une conduite (3) de récupération de gaz de vaporisation générés au sein de la pompe (2) ayant une extrémité amont reliée à la pompe (2) et une extrémité aval reliée au réservoir (11), caractérisée en ce que la conduite (3) de récupération des gaz de vaporisation comprend au moins un dispositif (8, 9) de régulation de pression et/ou de débit du gaz de vaporisation renvoyé au réservoir (11), le dispositif (8, 9) de régulation de pression et/ou de débit étant configuré pour réguler la pression au sein du réservoir (11) à un niveau de pression supérieur à la pression à l'entrée de la pompe (2).
  2. Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que le dispositif de régulation de pression et/ou de débit est configuré pour réguler la pression au sein du réservoir à un niveau compris entre 5mbar et 500mbar mbar au-dessus de la pression à l'entrée de la pompe (2).
  3. Installation selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que le dispositif (8, 9) de régulation de pression et/ou de débit comprend au moins l'un parmi : un réchauffeur (8), un échangeur (7) de chaleur, un compresseur (9), par exemple un compresseur cryogénique.
  4. Installation selon la revendication 3, caractérisée en ce que le dispositif (8, 9) de régulation de pression et/ou de débit comprend, disposés en série, un échangeur (7) de chaleur de réchauffage, un compresseur (9).
  5. Installation selon la revendication 4, caractérisée en ce que la conduite (3) de récupération des gaz de vaporisation comprend deux passages distincts dans l'échangeur (7) de chaleur de réchauffage respectivement avant et après compression dans le compresseur (9) pour assurer respectivement un réchauffage du gaz de vaporisation avant compression et un refroidissement avant injection dans le réservoir (11).
  6. Installation selon la revendication 4 ou 5, caractérisée en ce que la conduite (3) de récupération des gaz de vaporisation comprend une ligne (13) de bypass de l'échangeur de chaleur et un ensemble de vanne(s) (23) configurés pour permettre à au moins une partie du flux de gaz de vaporisation d'éviter un passage dans l'échangeur (7) de chaleur.
  7. Installation selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que la conduite (3) de récupération des gaz de vaporisation comprend un piquage (33) muni d'une vanne vers une zone d'évacuation.
  8. Installation selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce qu'elle comprend un dispositif (10) de pressurisation du réservoir autonome et distinct de la conduite (3) de récupération des gaz de vaporisation et du dispositif (8, 9) de régulation.
  9. Procédé de soutirage de fluide utilisant une installation selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : pompage de liquide cryogénique du réservoir via la pompe (2), récupération de gaz de vaporisation générés au niveau de la pompe (2), compression des gaz de vaporisation récupérés et injection des gaz comprimés dans le réservoir (2) à une pression déterminée.
  10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que la compression des gaz de vaporisation récupérés est réalisée avec un compresseur cryogénique ou avec un compresseur non cryogénique, les gaz de vaporisation étant réchauffés avant la compression dans le cas du compresseur non cryogénique.
  11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que la compression des gaz de vaporisation récupérés est réalisée avec un compresseur non cryogénique et comporte en outre une étape de refroidissement des gaz de vaporisation comprimés via un échange de chaleur avec le flux de gaz de vaporisation en amont du compresseur (9).
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