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DESCRIPTION
Titre de l'invention : Dispositif de liquéfaction de dihydrogène
gazeux pour ouvrage flottant ou terrestre
La présente invention se rapporte au domaine des ouvrages flottants ou des
ouvrages
terrestres dont au moins un consommateur est alimenté par du dihydrogène. Ces
ouvrages permettent de stocker et/ou de transporter du dihydrogène à l'état
liquide. Elle
concerne plus particulièrement un dispositif de liquéfaction de dihydrogène
gazeux
utilisé en tant que carburant pour l'au moins un consommateur d'un ouvrage,
notamment flottant ou terrestre.
Afin de transporter et/ou de stocker plus facilement du dihydrogène, le
dihydrogène est
généralement à l'état liquide en le refroidissant à des températures
cryogéniques
inférieures à la température de vaporisation du dihydrogène à pression
atmosphérique.
Le dihydrogène est, par exemple, refroidi à -253 C à pression atmosphérique
pour passer
à l'état liquide. Ce dihydrogène liquéfié est ensuite chargé dans des cuves
dédiées de
l'ouvrage.
De telles cuves ne sont néanmoins jamais parfaitement isolées thermiquement de
sorte
qu'une évaporation naturelle du dihydrogène à l'état liquide est inévitable.
Le
phénomène d'évaporation naturelle est appelé Boil-Off en anglais et le gaz
issu_ de cette
évaporation naturelle est appelé Boil-Off Gas en anglais, dont l'acronyme est
BOG. Les
cuves de l'ouvrage comprennent ainsi à la fois du dihydrogène sous forme
liquide et du
dihydrogène sous forme gazeuse.
Une partie du dihydrogène présent dans la cuve sous forme gazeuse peut être
utilisée
pour alimenter un consommateur, tel qu'une pile à combustible, prévu pour
pourvoir
aux besoins énergétiques de fonctionnement de l'ouvrage, notamment pour sa
propulsion et/ou la production d'électricité pour les équipements de bord de
l'ouvrage.
Une autre partie du dihydrogène sous forme gazeuse peut être reliquéfié afin
de limiter
l'augmentation de la pression à l'intérieur de la cuve au lieu d'utiliser
l'évent et ainsi
perdre du dihydrogène.
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Ces dispositifs de liquéfaction présentent l'inconvénient d'être complexe et
difficile à
mettre en oeuvre notamment en raison des propriétés du dihydrogène. Le
rendement de
liquéfaction est faible de sorte que le transport de dihydrogène à l'état
liquide reste
onéreux et peu rentable.
La présente invention a pour objet de palier au moins un des inconvénients
précités et
de conduire en outre à d'autres avantages en proposant un nouveau dispositif
de
liquéfaction de dihydrogène gazeux issu de l'évaporation de dihydrogène à
l'état liquide.
La présente invention propose un dispositif de liquéfaction de dihydrogène
gazeux issu
de l'évaporation de dihydrogène à l'état liquide stocké dans au moins une
cuve, le
dispositif de liquéfaction comprenant au moins un échangeur thermique à
plusieurs
passes, au moins une branche d'alimentation configurée pour amener au moins
une
portion du dihydrogène gazeux depuis la cuve jusqu'à un consommateur de
dihydrogène
gazeux, une partie de la branche d'alimentation traversant l'échangeur
thermique via une
première passe à l'intérieur de laquelle est disposé un catalyseur intervenant
dans la
conversion de l'isomère para du dihydrogène en isomère ortho du dihydrogène,
le
dispositif de liquéfaction comprenant au moins une branche de refroidissement
configurée pour liquéfier au moins une partie du dihydrogène gazeux, la
branche de
refroidissement comportant au moins un organe de compression, une portion de
la
branche de refroidissement traversant l'échangeur thermique via une deuxième
passe
disposée après l'organe de compression, la deuxième passe échangeant des
calories avec la
première passe afin de liquéfier au moins une partie du dihydrogène circulant
dans la
branche de refroidissement.
Dans la présente invention, le dispositif de liquéfaction est configure pour
mettre en
oeuvre, au sein d'un échangeur thermique, des échanges de calories entre du
dihydrogène
gazeux à températures cryogéniques destiné à être utilisé comme carburant par
un
consommateur et du dihydrogène gazeux à températures cryogéniques destiné à
être
liquéfié au moins en partie, le dihydrogène gazeux à températures cryogéniques
étant
issu d'une ou plusieurs cuves. On entend par cryogénique une température
inférieure
à -40 C, voire inférieure à -90 C, et de préférence inférieure à -150 C.
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Le dihydrogène se présente sous deux formes appelées isomères de spin
nucléaire,
autrement nommés orthohydrogène et parahydrogène. L'orthohydrogène est du
dihydrogène composé de molécules dans lesquelles les deux protons, un dans
chaque
atome de la molécule, ont des spins parallèles et de même sens entre eux. Le
parahydrogène est du dihydrogène composé de molécules dans lesquelles les deux
protons, un dans chaque atome de la molécule, ont des spins antiparallèles.
Le dihydrogène à l'état liquide, c'est-à-dire pour une température inférieure
ou égale à -
253 C à pression atmosphérique, est constitué à 99,8% de parahydrogène. En
revanche
à température ambiante et à l'équilibre thermique, le dihydrogène se compose
d'environ
75% d'orthohydrogène et 25% de parahydrogène.
L'enthalpie de la réaction d'isomérisation du parahydrogène en orthohydrogène
est égale
à +525 kJ/kg indiquant une réaction endothermique. Par comparaison,
l'enthalpie de
vaporisation du dihydrogène n'est que de 476 kJ/kg. Toutefois, la réaction
d'isomérisation du parahydrogène en orthohydrogène est de l'ordre de quelques
jours.
On comprend dans ce contexte que même si le dihydrogène est gazeux et à 25 C,
la
proportion de parahydrogène peut être toujours très largement majoritaire.
Le dihydrogène gazeux issu de l'évaporation de dihydrogène stocké à l'état
liquide dans
la cuve est destiné à être utilisé comme carburant par le consommateur et
circule dans
une première passe de l'échangeur thermique. La première passe comprend un
catalyseur
qui permet d'accélérer la réaction d'isomérisation du parahydrogène en
orthohydrogène
et donc permet de profiter de la capacité d'absorption d'énergie de la
réaction
d'isomérisation lors de l'échange de calories avec la deuxième passe de
l'échangeur
thermique.
Le dihydrogène gazeux à températures cryogéniques destiné à être liquéfié
passe par un
organe de compression puis dans la deuxième passe de l'échangeur thermique
pour y être
liquéfié, au moins en partie.
Dans la seconde passe, le dihydrogène gazeux comprimé cède ses calories au
dihydrogène
gazeux présent dans la première passe. Le dihydrogène gazeux qui circule dans
la
première passe s'isomérise rapidement en présence du catalyseur, en plus de se
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réchauffer, avec l'absorption des calories reçues de la deuxième passe. Le
dihydrogène
gazeux comprimé qui circule dans la deuxième passe se refroidit jusqu'à se
condenser.
Le dispositif de liquéfaction permet ainsi de valoriser l'évaporation de la
cargaison
nominale de dihydrogène à l'état liquide stocké dans une ou plusieurs cuves.
Selon un mode de réalisation, le catalyseur est choisi parmi les gels de
nickel, de cuivre,
de fer ou d'hydrure métallique, de films de nickel, de cuivre ou de fer, des
hydroxydes de
fer, de cobalt, de nickel, de chrome, de manganèse, des oxydes de fer, des
complexes
nickel-silicium, un charbon actif et/ou au moins une de leurs associations.
Selon un mode de réalisation, la branche d'alimentation comprend au moins un
dispositif de compression agencé après une sortie de la première passe. En
d'autres mots,
le dispositif de compression est disposé entre une sortie de la première passe
et le
consommateur de dihydrogène. Par conséquent, lorsque le dihydrogène gazeux
circule
dans la branche d'alimentation, il passe au travers du dispositif de
compression après être
sorti de la première passe de l'échangeur thermique et avant de rejoindre le
consommateur. Le dispositif de compression permet notamment de mettre en
circulation forcée le dihydrogène gazeux dans la branche d'alimentation, la
pression du
dihydrogène étant éventuellement également élevée.
Selon un mode de réalisation, une autre portion de la branche de
refroidissement
traverse l'échangeur thermique via une troisième passe, une sortie de la
troisième passe
étant reliée à une entrée de la deuxième passe par une portion de liaison de
la branche de
refroidissement, la portion de liaison comprenant l'organe de compression.
Ainsi,
lorsque le dihydrogène circule dans la branche de refroidissement, il passe
dans la
troisième passe de l'échangeur thermique, puis il passe au travers du
dispositif de
compression et ensuite il traverse la deuxième passe de l'échangeur thermique
pour y être
liquéfié, au moins partiellement.
Selon un mode de réalisation, la deuxième passe de l'échangeur thermique est
agencée de
manière à échanger des calories avec la première passe et la troisième passe
de
l'échangeur thermique.
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Selon un mode de réalisation, le dispositif de liquéfaction comprend un
séparateur gaz-
liquide agencé sur la branche de refroidissement après une sortie de la
deuxième passe.
Lorsque le dihydrogène circule dans la branche de refroidissement après être
sorti
successivement de la troisième passe puis de la deuxième passe de l'échangeur
thermique,
5 le dihydrogène peut ne pas être complètement liquéfié. Ainsi, il peut se
présenter sous la
forme d'un fluide diphasique c'est-à-dire qu'une partie du dihydrogène est
sous forme
liquide et une partie sous forme gazeux après avoir parcouru la deuxième
passe, les deux
phases étant alors mélangées. Le séparateur gaz-liquide va notamment permettre
de
séparer la forme liquide du dihydrogène de la forme gazeuse du dihydrogène.
Selon un mode de réalisation, la branche de refroidissement comprend un
dispositif de
détente agencé entre une sortie de la deuxième passe de l'échangeur thermique
et une
entrée du séparateur gaz-liquide.
Selon un mode de réalisation, le dispositif de liquéfaction est configuré pour
mettre en
communication fluidique une sortie de liquide du séparateur gaz-liquide avec
une cuve.
La communication fluidique entre la sortie de liquide du séparateur gaz-
liquide et une
cuve peut être assurée par une troisième portion de la conduite de
refroidissement. Ainsi,
le dihydrogène liquéfié peut être renvoyée dans la cuve où le dihydrogène
gazeux a été
prélevé ou il peut être envoyé dans une cuve de stockage de dihydrogène à
l'état liquide
différente de la cuve où le dihydrogène gazeux a été prélevé.
Selon un mode de réalisation, une sortie de gaz du séparateur gaz-liquide est
en
communication fluidique avec la branche de refroidissement avant une entrée de
la
troisième passe de l'échangeur thermique. Plus précisément, la communication
fluidique
entre la sortie de gaz du séparateur gaz-liquide est assurée par une branche
de liaison
reliant la sortie de gaz du séparateur gaz-liquide et un point de jonction
agencé sur la
branche de refroidissement. Le point de jonction est avant une entrée de la
troisième
passe de l'échangeur thermique. Par conséquent, la phase gazeuse du
dihydrogène dans
le séparateur gaz-liquide peut être envoyée dans la branche de refroidissement
afin d'y
être valorisée.
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Selon un mode de réalisation, le dispositif de liquéfaction comprend une
branche de
dérivation reliant un point de convergence agencé sur la branche
d'alimentation avant
une entrée de la première passe de l'échangeur thermique et un point de
jonction agencé
sur la branche de refroidissement avant l'organe de compression (25).
Selon un mode de réalisation, le point de jonction est agencé sur la branche
de
refroidissement avant une entrée de la troisième passe de l'échangeur
thermique.
Autrement dit, le point de convergence est entre une sortie de gaz d'une cuve
d'où est
prélevé le dihydrogène gazeux et l'échangeur thermique, lorsque le dihydrogène
circule
dans la branche de refroidissement. Cela permet notamment d'utiliser du
dihydrogène
venant de la même cuve que celui circulant dans la branche d'alimentation.
Selon un mode de réalisation, le point de jonction est agencé sur la branche
de
refroidissement entre une sortie de la troisième passe de l'échangeur
thermique et une
entrée de l'organe de compression.
Selon un mode de réalisation, une quatrième passe de l'échangeur thermique est
constitutive de la branche de dérivation.
Selon un mode de réalisation, la quatrième passe de l'échangeur thermique est
agencée
de manière à échanger des calories avec la deuxième passe et la troisième
passe de
l'échangeur thermique. Ainsi, la deuxième passe de l'échangeur thermique est
disposée
de manière à échanger des calories avec la première passe de l'échangeur
thermique et la
quatrième passe de l'échangeur thermique. Un des avantages d'une telle
architecture est
de refroidir le dihydrogène provenant de la branche de dérivation et
traversant la
quatrième passe de l'échangeur thermique avant d'être mélangé au dihydrogène
provenant de la branche de liaison et traversant la troisième passe de
l'échangeur
thermique. Du dihydrogène plus froid est ainsi obtenu à l'entrée de la seconde
passe. On
améliore donc le rendement de reliquéfaction du dispositif de liquéfaction. De
plus, la
consommation énergétique du dispositif de liquéfaction est diminuée.
L'invention a par ailleurs pour objet un ouvrage, notamment flottant ou
terrestre,
comprenant au moins une cuve destinée au transport et/ou au stockage de
dihydrogène à
l'état liquide, l'ouvrage comprenant au moins un consommateur de dihydrogène
en tant
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que carburant et au moins un dispositif de liquéfaction présentant au moins
une des
caractéristiques précédemment décrites, l'au moins un consommateur étant
configuré
pour être alimenté en carburant par le dihydrogène à l'état gazeux circulant
au moins en
partie dans ledit dispositif de liquéfaction. Le consommateur peut-être par
exemple un
moteur comprenant au moins une pile à combustible. La cuve peut former un
réservoir
de carburant pour le consommateur.
Selon un mode de réalisation, un écoulement du dihydrogène dans la première
passe de
l'échangeur thermique est orienté dans un sens opposé à un écoulement du
dihydrogène
dans la deuxième passe de l'échangeur thermique. Autrement dit, lorsque le
dihydrogène
circule dans le dispositif de liquéfaction, l'écoulement du dihydrogène dans
la première
passe de l'échangeur thermique s'effectue à contrecourant de l'écoulement du
dihydrogène dans la deuxième passe. Ainsi, les échanges des calories entre la
première
passe et la deuxième passe de l'échangeur thermique sont augmentés.
Selon un mode de réalisation, un écoulement du dihydrogène dans la première
passe de
l'échangeur thermique est orienté dans la même direction qu'un écoulement de
dihydrogène dans la troisième passe de l'échangeur thermique. Autrement dit,
lorsque le
dihydrogène circule dans le dispositif de liquéfaction, l'écoulement du
dihydrogène dans
la première passe de l'échangeur thermique est co-courant à l'écoulement du
dihydrogène dans la troisième passe. Dans ce contexte, on comprend que
l'écoulement
de dihydrogène dans la troisième passe de l'échangeur thermique est à
contrecourant de
l'écoulement du dihydrogène dans la deuxième passe.
Selon un mode de réalisation, un écoulement de dihydrogène dans la quatrième
passe de
l'échangeur thermique est orienté dans la même direction qu'un écoulement de
dihydrogène dans la troisième passe. Autrement dit, lorsque le dihydrogène
circule dans
le dispositif de liquéfaction, l'écoulement du dihydrogène dans la quatrième
passe de
l'échangeur thermique est co-courant à l'écoulement du dihydrogène dans la
troisième
passe. Dans ce contexte, on comprend que l'écoulement de dihydrogène dans la
quatrième passe de l'échangeur thermique est à contrecourant de l'écoulement
du
dihydrogène dans la deuxième passe.
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L'invention propose d'autre part un système de transfert pour du dihydrogène à
l'état
liquide, le système comportant un ouvrage présentant au moins des
caractéristiques
précédentes, des canalisations isolées agencées de manière à relier la cuve
installée sur
l'ouvrage, notamment dans la coque de l'ouvrage, à une installation de
stockage flottante
ou terrestre et une pompe pour entrainer un flux de produit dihydrogène froid
à travers
les canalisations isolées depuis ou vers l'installation de stockage flottante
ou terrestre vers
ou depuis la cuve de l'ouvrage.
L'invention offre en outre un procédé de chargement ou de déchargement d'un
ouvrage
présentant au moins une des caractéristiques précédentes, au cours duquel on
achemine
du dihydrogène à l'état liquide à travers des canalisations isolées depuis ou
vers une
installation de stockage flottante ou terrestre vers ou depuis la cuve de
l'ouvrage.
L'invention propose par ailleurs un procédé de liquéfaction de dihydrogène
gazeux issu
de l'évaporation de dihydrogène à l'état liquide stocké dans au moins une cuve
par un
dispositif de liquéfaction présentant au moins une des caractéristiques
précédemment
décrites, le procédé comprenant au moins une étape de compression du
dihydrogène
gazeux, une étape d'échange de calories entre le dihydrogène gazeux comprimé
et du
dihydrogène gazeux soutiré de la clive afin que le dihydrogène gazeux comprimé
se
liquéfie, la conversion, en présence du catalyseur, de l'isomère para en
l'isomère ortho
pour le dihydrogène gazeux soutiré se déroulant pendant l'étape d'échange de
calories.
Selon un mode de réalisation, le procédé de liquéfaction comprend une étape de
compression du dihydrogène gazeux soutiré de la cuve après l'étape d'échange
de calories
afin d'alimenter en dihydrogène un consommateur.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront encore au
travers de la
description qui suit d'une part, et de plusieurs exemples de réalisation
donnés à titre
indicatif et non limitatif en référence aux dessins schématiques annexés
d'autre part, sur
lesquels :
[fig 1] La figure 1 est une représentation schématique d'un premier mode de
réalisation
d'un dispositif de liquéfaction selon l'invention, le dispositif de
liquéfaction étant
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configuré pour liquéfier du dihydrogène gazeux issu de l'évaporation de
dihydrogène à
l'état liquide stocké dans au moins une cuve d'un ouvrage flottant ;
[fig 2] La figure 2 est une représentation schématique d'un deuxième mode de
réalisation d'un dispositif de liquéfaction selon l'invention, le dispositif
de liquéfaction
étant configuré pour liquéfier du dihydrogène gazeux issu de l'évaporation de
dihydrogène à l'état liquide stocké dans au moins une cuve d'un ouvrage
flottant ;
[fig 3] La figure 3 est une représentation schématique écorchée de l'ouvrage
flottant de
transport de dihydrogène liquide de la figure 1 et d'un terminal de
chargement/déchargement des cuves de l'ouvrage flottant.
Il faut tout d'abord noter que si les figures exposent l'invention de manière
détaillée
pour sa mise en oeuvre, elles peuvent bien entendu servir à mieux définir
l'invention le
cas échéant. Il est également à noter que, sur l'ensemble des figures, les
éléments
similaires et/ou remplissant la même fonction sont indiqués par la même
numérotation.
La figure 1 représente un dispositif de liquéfaction 11 de dihydrogène liquide
stocké
dans au moins une cuve 3, 5 d'un ouvrage flottant de transport et/ou de
stockage de
dihydrogène. Le dispositif de liquéfaction 11 est configuré pour coopérer les
cuves 3, 5
et avec au moins un consommateur 7 de l'ouvrage flottant.
La ou les cuves 3, 5 contiennent du dihydrogène sous forme liquide 9, c'est-à-
dire du
dihydrogène à l'état liquide. L'isolation thermique des cuves n'étant pas
parfaite, une
partie dihydrogène à l'état liquide 9 s'évapore naturellement. Par conséquent,
les cuves
3, 5 de l'ouvrage flottant comprennent à la fois du dihydrogène sous forme
liquide 9 et
du dihydrogène sous forme gazeuse 10.
Le dispositif de liquéfaction 11 assure l'alimentation du consommateur 7 en
dihydrogène provenant d'au moins une des cuves 3, 5. A titre d'exemple, le
consommateur 7 comprend au moins une pile à combustible, mais il peut
également
s'agir d'un moteur à combustion ou une turbine.
Le dispositif de liquéfaction 11 comprend au moins un échangeur thermique 13 à
plusieurs passes 15, 17, 19, au moins une branche d'alimentation 21 configurée
pour
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amener au moins une portion du dihydrogène gazeux 10 depuis une des cuves 3, 5
jusqu'au consommateur 7 de dihydrogène gazeux et au moins une branche de
refroidissement 23 configurée pour liquéfier au moins une partie du
dihydrogène gazeux
10 d'une des cuves 3, 5.
5 Une première partie de la branche d'alimentation 21 traverse l'échangeur
thermique 13
via une première passe 15 à l'intérieur de laquelle est disposé un catalyseur
151
intervenant dans la conversion de l'isomère para du dihydrogène en isomère
ortho du
dihydrogène. Le catalyseur 151 est choisi parmi les gels de nickel, de cuivre,
de fer ou
d'hydrure métallique, de films de nickel, de cuivre ou de fer, des hydroxydes
de fer, de
10 cobalt, de nickel, de chrome, de manganèse, des oxydes de fer, des
complexes nickel-
silicium, du charbon actif et/ou au moins une de leurs associations.
La branche d'alimentation 21 con-prend au moins un dispositif de compression
27
agencé sur une deuxième partie de la branche d'alimentation 21 qui relie une
sortie de la
première passe 15 de l'échangeur thermique 13 au consommateur 7 de
dihydrogène. Le
dispositif de compression 27 est donc disposée sur la branche d'alimentation
après une
sortie 155 de la première passe 15, c'est-à-dire en aval de celle-ci, selon le
sens de
circulation du dihydrogène dans la branche d'alimentation 21.
La branche d'alimentation 21 comprend une troisième partie qui relie au moins
une
cuve 3, 5 de stockage de dihydrogène à une entrée 153 de la première passe 15
de
manière à ce que le dihydrogène gazeux 10 retenu dans au moins une des cuves
3, 5
puisse s'écouler dans la branche d'alimentation 21 jusqu'au consommateur 7.
La troisième partie de la branche d'alimentation 21 comprend une première sous-
branche 211 reliée à une première cuve 3 et une deuxième sous-branche 213
reliée à une
deuxième cuve 5. La première sous-branche 211 et la deuxième sous-branche 213
se
rejoignent à un point de convergence 33 de la branche d'alimentation 21 qui
est reliée à
l'entrée 153 de la première passe 15 de l'échangeur thermique 13 par une
conduite de
raccordement.
La branche d'alimentation 21 peut comprendre une vanne placée au point de
convergence 33 afin de pouvoir choisir la provenance du dihydrogène gazeux
c'est-à-dire
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sélectionner le dihydrogène gazeux 10 de la première cuve 3 et/ou le
dihydrogène gazeux
de la deuxième cuve 5.
Le dihydrogène gazeux 10 issu d'au moins une de ces cuves 3, 5 est mis en
circulation
forcée dans la branche d'alimentation 21 par le dispositif de compression 27.
Le
5 dihydrogène gazeux s'écoule alors depuis la cuve jusqu'à l'entrée 153 de
la première
passe 15 de l'échangeur thermique 13, puis traverse la première passe 15 de
l'échangeur
thermique 13.
En s'écoulant de l'entrée 153 de la première passe 15 à la sortie 155 de la
première passe,
le dihydrogène va échanger des calories avec une deuxième passe 17 de
l'échangeur
10 thermique 13. Le dihydrogène gazeux s'écoulant dans la première passe 15
va alors être
réchauffé. A titre d'exemple, le dihydrogène gazeux présente une température
de -240 C
à 1,1 bars absolus à l'entrée 153 de la première passe 15 et une température
de +25 C à
1,1 bar à la sortie 155 de la première passe 15.
La présence du catalyseur 151 à l'intérieur de la première passe 15 de
l'échangeur
thermique 13 permet d'accélérer la réaction d'isomérisation du parahydrogène
en
orthohydrogène, une telle réaction étant endothermique. Ainsi, le dihydrogène
gazeux
circulant dans la première passe 15 peut absorber encore plus de calories
provenant de la
deuxième passe 17 de l'échangeur thermique 13. Le transfert thermique de la
deuxième
passe 17 à la première passe 15 est grandement augmenté.
En référence à la figure 1, la branche de refroidissement 23 comporte au moins
un
organe de compression 25 de dihydrogène. Une première portion de la branche de
refroidissement 23 traverse l'échangeur thermique 13 via une deuxième passe 17
disposée après l'organe de compression 25. Le dihydrogène gazeux qui circule
dans la
branche de refroidissement 23 est ainsi comprimé par l'organe de compression
25, avant
son refroidissement au sein de la deuxième passe 17, tel que cela a été
expliqué ci-dessus.
Cette élévation de pression favorise la liquéfaction du dihydrogène au sein de
la
deuxième passe 17, et postérieurement à celle-ci.
Tel que cela est illustré sur la figure 1, mais de manière optionnelle, une
deuxième
portion de la branche de refroidissement 23 traverse l'échangeur thermique 13
via une
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troisième passe 19. Une sortie 195 de la troisième passe 19 est reliée à
l'entrée 173 de la
deuxième passe 17 par une portion de liaison 231 de la branche de
refroidissement 23.
La portion de liaison 231 porte l'organe de compression 25.
La deuxième passe 17 de l'échangeur thermique 13 est agencée de manière à
échanger
des calories avec la première passe 15 et la troisième passe 19 de l'échangeur
thermique 13.
Le dispositif de liquéfaction 11 comprend en outre une branche de dérivation
31 reliant
le point de convergence 33 de la branche d'alimentation 21 et un point de
jonction 35
agencé sur la branche de refroidissement 23. Cela permet notamment de faire
circuler
du dihydrogène gazeux d'une même cuve dans la branche d'alimentation 21 et
dans la
branche de refroidissement 23. Le point de jonction 35 est disposé avant
l'organe de
con-pression 25. Plus précisément, dans le premier mode de réalisation
représenté sur la
figure 1, le point de jonction est agencé avant l'entrée 193 de la troisième
passe 19 de
l'échangeur thermique 13.
Le dihydrogène gazeux 10 issu d'au moins une des cuves s'écoule depuis une des
cuves 3,
5 jusqu'à l'entrée 193 de la troisième passe 15 de l'échangeur thermique 13
puis traverse
la troisième passe 19 de l'échangeur thermique 13.
A la sortie 195 de la troisième passe 19, le dihydrogène est comprimé par
l'organe de
compression 25 et envoyé à l'entrée 173 de la deuxième passe de l'échangeur
thermique
13. Dit autrement, La pression du dihydrogène après son passage par l'organe
de
compression 25 est supérieure à la pression du dihydrogène avant son passage
par
l'organe de compression 25.
Dans ce contexte, on comprend que l'organe de compression 25 du fait de sa
fonction
permet la circulation forcée du dihydrogène gazeux 10 issu d'au moins une des
cuves 3,
5 dans la branche de refroidissement 23 par l'organe de compression 25.
Puis, le dihydrogène compressé s'écoule dans la deuxième passe 17 de
l'échangeur
thermique 13 où il cède des calories au dihydrogène s'écoulant dans la
troisième passe 19
de l'échangeur thermique 13 et au dihydrogène s'écoulant dans la première
passe 15 de
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l'échangeur thermique 13. Le dihydrogène circulant dans la deuxième passe 17
va par
conséquent changer d'état, pour au moins en partie passer à l'état liquide.
Ainsi, à la
sortie 175 de la deuxième passe 17 de l'échangeur thermique 13, au moins une
partie du
dihydrogène est liquéfié, préférentiellement tout le dihydrogène est liquéfié.
Afin d'optimiser les échanges de calories entre les passes 15, 17 de
l'échangeur thermique
13, l'écoulement de dihydrogène dans la seconde passe 17 s'effectue à contre-
courant de
l'écoulement de dihydrogène dans la première passe 15. Pour encore améliorer
le
transfert thermique entre les passes 17, 19 de l'échangeur thermique 13,
l'écoulement de
dihydrogène dans la seconde passe 17 s'effectue à contre-courant de
l'écoulement de
dihydrogène dans la troisième passe 19. On comprend que le dihydrogène dans la
première passe 15 s'écoule dans le même sens que le sens de circulation du
dihydrogène
au sein de la troisième passe 19.
A titre d'exemple, le dihydrogène présente une température de -250 C à
l'entrée 193 de
la troisième passe 19 de l'échangeur thermique 13 et une température de +25 C
à la
sortie 195 de la troisième passe 19 de l'échangeur thermique 13. L'organe de
compression 25 comprime le dihydrogène à une pression comprise entre 35 et 45
bars
pour une température de +43 C. Le dihydrogène présente une température de +43
C à
l'entrée 173 de la deuxième passe 17 de l'échangeur thermique 13 et une
température de
-240 C à la sortie 175 de la deuxième passe 17 de l'échangeur thermique 13.
A la sortie 175 de la deuxième passe 17 de l'échangeur thermique 13, le
dihydrogène est
au moins en partie liquéfié. En d'autres mots, le dihydrogène peut présenter
une phase
liquide et une phase gazeuse après avoir parcouru la deuxième passe 17 de
l'échangeur
thermique 13. Les deux phases sont alors mélangées.
Dans le mode de réalisation représenté sur la figure 1, le dispositif de
liquéfaction 11
comprend un séparateur gaz-liquide 29 agencé sur la branche de refroidissement
23. Le
séparateur est agencé après la sortie 175 de la deuxième passe 17. Après être
sorti de la
deuxième passe 17 de l'échangeur thermique 14, le dihydrogène au moins en
partie
liquéfié s'écoule vers une entrée 293 du séparateur gaz-liquide 29.
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Un dispositif de détente, non représenté dans ce premier mode de réalisation,
peut être
agencé entre la sortie 175 de la deuxième passe 17 et l'entrée 293 du
séparateur gaz-
liquide 29 de sorte à diminuer la pression du fluide entrant dans le
séparateur gaz-
liquide 29.
Une sortie de liquide 295 du séparateur gaz-liquide 29 est en communication
fluidique
avec au moins une des cuves 3, 5, une telle communication fluidique étant
assurée par
une troisième portion 41 de la conduite de refroidissement 23.
Une sortie de gaz 297 du séparateur gaz-liquide 29 est en communication
fluidique avec
la branche de refroidissement 23 avant une entrée 193 de la troisième passe 19
de
l'échangeur thermique 13. A titre d'exemple, le dihydrogène présente une
température
de -254 C à la sortie de gaz 297 du séparateur gaz-liquide 29.
La communication fluidique de la sortie de gaz 297 du séparateur gaz-liquide
29 avec la
branche de refroidissement 23 est assurée par une branche de liaison 299
reliant la sortie
de gaz 297 du séparateur gaz-liquide 29 avec le point de jonction 35 agencé
sur la
branche de refroidissement 23.
Lorsque le dihydrogène circule dans le dispositif de liquéfaction 11, après
être sorti de la
deuxième passe 17 de l'échangeur thermique 13, le dihydrogène est envoyé dans
le
séparateur gaz-liquide 29 pour que la phase liquide du dihydrogène soit
séparée de la
phase gazeuse.
La phase liquide de dihydrogène contenu dans le séparateur gaz-liquide 29 peut
être
envoyée dans la phase liquide 9 du dihydrogène stocké dans une des cuves 3, 5
via la
troisième portion 41 de la conduite de refroidissement 23. La phase gazeuse de
dihydrogène contenu dans le séparateur gaz-liquide 29 peut être introduit dans
la
branche de refroidissement 23 au niveau de point de jonction 35 via la branche
de
liaison 299 pour y être liquéfié.
La figure 2 illustre un deuxième mode de réalisation du dispositif de
liquéfaction selon
l'invention. Le deuxième mode de réalisation diffère du premier mode de
réalisation en
ce que le point de jonction 35 est entre la sortie 195 de la troisième passe
19 et l'organe
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de compression 25 sur la branche de refroidissement 23, et en ce que la
branche de
dérivation 31 traverse l'échangeur thermique 13 via une quatrième passe 20.
Les
éléments identiques sont désignés par les mêmes références. On se réferera à
la
description ci-dessus pour plus de précisions sur ces éléments identiques.
5 En référence à la figure 2, la quatrième passe 20 de l'échangeur
thermique 13 est
constitutive de la branche de dérivation 31 qui relie le point de convergence
33 et le
point de jonction 35. Le point de convergence 31 est sur la branche
d'alimentation 21
avant l'entrée 153 de la première passe 15.
Le point de jonction 35 est sur la branche de refroidissement 23. Le point de
jonction 35
10 est disposé entre avant l'organe de compression 25. Tel que cela est
représenté sur la
figure 2, le point de jonction 35 est agencé entre la sortie 195 de la
troisième passe 19 et
l'entrée 173 de la deuxième passe 17, plus précisément avant une entrée de
l'organe de
compression 25.
La sortie de gaz 297 du séparateur gaz-liquide 29 est en communication
fluidique avec
15 l'entrée 193 de la troisième passe 19 via la branche de liaison 299. La
branche de liaison
299 est, dans ce deuxième mode de réalisation constitutive de la deuxième
portion de la
branche de refroidissement 23. Ainsi le dihydrogène entrant dans la troisième
passe 19
présente une température identique à la phase gazeuse de dihydrogène sortant
du
séparateur gaz-liquide 29 c'est à dire -254 C dans ce deuxième mode de
réalisation.
La quatrième passe 20 de l'échangeur thermique 13 est constitutive de la
branche de
dérivation 31. La quatrième passe 20 est agencée de manière à échanger des
calories avec
la deuxième passe 17 et la troisième passe 19 de l'échangeur thermique 13. Par
conséquent, la deuxième passe 17 de l'échangeur thermique 13 est disposée de
manière à
échanger des calories avec la première passe 15 de l'échangeur thermique 13 et
la
quatrième passe 20 de l'échangeur thermique 13.
En référence à la figure 2, un écoulement de dihydrogène gazeux dans la
quatrième passe
20 de l'échangeur thermique 13 est orienté dans la même direction qu'un
écoulement de
dihydrogène gazeux dans la troisième passe 19. Autrement dit, lorsque le
dihydrogène
gazeux circule dans le dispositif de liquéfaction 11, l'écoulement du
dihydrogène dans la
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quatrième passe 20 de l'échangeur thermique 13 est co-courant à l'écoulement
du
dihydrogène dans la troisième passe 19. En outre, l'écoulement de dihydrogène
gazeux
dans la quatrième passe 20 de l'échangeur thermique 13 est à contrecourant de
l'écoulement du dihydrogène dans la deuxième passe 17.
Lorsque le dispositif de liquéfaction 1 selon le deuxième mode de réalisation
illustré sur
la figure 2 est parcouru par du dihydrogène, le dihydrogène sort comprimé et
refroidi de
de la deuxième passe 17 de l'échangeur thermique 13. Ainsi, lorsque le
dihydrogène de
la conduite de refroidissement 23 entre dans le séparateur gaz-liquide 29, il
subit une
détente qui a pour conséquence de créer une phase liquide de dihydrogène et
une phase
gazeuse de dihydrogène dans le séparateur gaz-liquide 29.
Un dispositif de détente 28 peut, de manière optionnelle, être agencé entre la
sortie 175
de la deuxième passe 17 et l'entrée 293 du séparateur gaz-liquide 29 de sorte
à diminuer
la pression du fluide entrant dans le séparateur gaz-liquide 29.
La phase liquide de dihydrogène dans le séparateur gaz-liquide 29 peut être
renvoyée
dans une des cuves 3, 5. Plus précisément, la phase liquide de dihydrogène est
directement délivrée dans la phase liquide 9 contenue dans la cuve 5 via la
troisième
portion 41 de la conduite de refroidissement 23 qui s'étend depuis la sortie
de liquide
295 du séparateur gaz-liquide 29 jusque dans la cuve 5 de sorte qu'une
extrémité de la
troisième portion 41 est immergée dans le dihydrogène liquide contenu dans la
cuve 5.
La phase gazeuse de dihydrogène dans le séparateur gaz-liquide 29 est, quant à
elle,
envoyée dans la branche de refroidissement 23 en passant dans la troisième
passe 19 de
l'échangeur thermique 13.
Le dihydrogène à l'entrée 193 de la troisième passe 19 de l'échangeur
thermique 13, qui
est à l'état gazeuse en provenance du séparateur gaz-liquide 29, est plus
froid que le
dihydrogène à l'entrée 203 de la quatrième passe 20. Le deuxième mode de
réalisation
permet alors de profiter de la capacité d'absorption de calories de la phase
gazeuse
provenant du séparateur gaz-liquide 29 grâce à la quatrième passe 20 de
l'échangeur
thermique 13.
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Ainsi, le dihydrogène à la sortie 195 de la troisième passe 19 est plus froid
que dans le
cas du premier mode de réalisation où le dispositif de liquéfaction 1 est
dépourvu de
quatrième passe. Le dihydrogène à l'entrée 173 de la deuxième passe 17 dans ce
deuxième mode de réalisation est donc plus froid et sera donc encore plus
refroidi à la
sortie 179 de la deuxième passe 17 que dans le premier mode de réalisation.
Dans ce deuxième mode de réalisation, le dihydrogène étant plus froid à la
sortie 175 de
la deuxième passe 17 que dans le premier mode de réalisation, il crée moins de
phase
gazeuse dans le séparateur gaz-liquide 29. Par conséquent, la quantité de
dihydrogène à
recycler via la branche de liaison 299 est moindre et la consommation
énergétique du
dispositif de liquéfaction est diminuée comparativement au premier mode de
réalisation.
En référence à la figure 3, une vue écorchée d'un ouvrage flottant 70 montre
une cuve 3,
5 étanche et thermiquement isolée de forme générale prismatique montée dans
une
double coque 72 de l'ouvrage flottant 70, qui peut être un navire ou une
plateforme
flottante. Une paroi de la cuve 3, 5 comporte une barrière étanche primaire
destinée à
être en contact avec le dihydrogène à l'état liquide contenu dans la cuve 3,
5, une
barrière étanche secondaire agencée entre la barrière étanche primaire et la
double coque
72 du navire, et deux barrières thermiquement isolante agencées respectivement
entre la
barrière étanche primaire et la barrière étanche secondaire et entre la
barrière étanche
secondaire et la double coque 72. Dans une version simplifiée, l'ouvrage
flottant 70
comporte une simple coque. Alternativement, les cuves de dihydrogène sont des
cuves sphériques isolées sous vide.
Des canalisations de chargement/déchargement 73 disposées sur un pont
supérieur de
l'ouvrage flottant 70 peuvent être raccordées, au moyen de connecteurs
appropriées, à
un terminal maritime ou portuaire pour transférer une cargaison de dihydrogène
à l'état
liquide depuis ou vers la cuve 3, 5.
La figure 3 représente un exemple de terminal maritime comportant un poste de
chargement et/ou de déchargement 75, une conduite sous-marine 76 et une
installation
à terre 77. Le poste de chargement et/ou de déchargement 75 est une
installation fixe
off-shore comportant un bras mobile 74 et une tour 78 qui supporte le bras
mobile 74.
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Le bras mobile 74 porte un faisceau de tuyaux flexibles isolés 79 pouvant se
connecter
aux canalisations de chargement/déchargement 73. Le bras mobile 74 est
orientable et
s'adapte à tous les gabarits d'ouvrage flottant 70. Une conduite de liaison
non
représentée s'étend à l'intérieur de la tour 78. Le poste de chargement et/ou
de
déchargement 75 permet le chargement et/ou le déchargement de l'ouvrage
flottant 70
depuis ou vers l'installation à terre 77. Celle-ci comporte des cuves de
stockage de
dihydrogène à l'état liquide 80 et des conduites de liaison 81 reliées par la
conduite sous-
marine 76 au poste de chargement et/ou de déchargement 75. La conduite sous-
marine
76 permet le transfert du dihydrogène à l'état liquide entre le poste de
chargement et/ou
de déchargement 75 et l'installation à terre 77 sur une grande distance, par
exemple 5
km, ce qui permet de garder l'ouvrage flottant 70 à grande distance de la côte
pendant
les opérations de chargement et/ou de déchargement.
Pour engendrer la pression nécessaire au transfert du dihydrogène, on met en
oeuvre des
pompes embarquées dans l'ouvrage flottant 70 et/ou des pompes équipant
l'installation
à terre 77 et/ou des pompes équipant le poste de chargement et de déchargement
75.
Alternativement, le dihydrogène peut être déchargé par effet de pression c'est-
à-dire
par augmentation de pression dans la cuve 3,5. Ainsi, le déchargement du
dihydrogène peut s'effectuer sans pompe.
Bien sûr, l'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être
décrits et de
nombreux aménagements peuvent être apportés à ces exemples sans sortir du
cadre de
l'invention. Par exemple, les deux modes de réalisation dispositif de
liquéfaction selon
l'invention ont été décrits dans le cadre d'un ouvrage flottant. Cependant,
ils peuvent
être implémentés dans un ouvrage terrestre.
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