Dans nos blogs précédents sur l’hydrogène, nous avons mentionné à plusieurs reprises la différence entre l’hydrogène gazeux et l’hydrogène liquide. Après avoir été produit sous forme gazeuse, l’hydrogène est souvent stocké ou transporté sous forme liquide, après quoi il peut ou non être regazéifié pour être utilisé.
Ce blog se concentre sur le dispositif de liquéfaction qui transforme l’hydrogène gazeux en hydrogène liquide. Nous expliquons à quoi sert le liquéfacteur et examinons trois techniques différentes qui permettent de refroidir l’hydrogène jusqu’au point où il devient liquide.
Qu’est-ce qu’un liquéfacteur d’hydrogène ?
Un liquéfacteur est un appareil qui peut être utilisé pour liquéfier l’hydrogène gazeux. L’hydrogène devient liquide lorsqu’il atteint la température extrêmement basse de -252,9 ℃ à la pression atmosphérique ; le liquéfacteur est un système de refroidissement capable d’atteindre cette température dans les bonnes conditions.
Atteindre des températures cryogéniques n’est pas si facile. Il existe cependant des recherches actives sur les meilleures techniques de refroidissement extrême, et plusieurs liquéfacteurs performants sont disponibles. Parmi les exemples, citons le tube à impulsion, le cryogénérateur Stirling, le refroidisseur Joule-Thomson et le cryoréfrigérateur Gifford-McMahon (GM).
Mise en évidence de trois types de liquéfacteurs
Trois liquéfacteurs bien connus qui sont utilisés avec succès pour liquéfier l’hydrogène sont le cryorefroidisseur GM, le cryogénérateur Stirling et le liquéfacteur (Joule-Thomson) qui liquéfie l’hydrogène en utilisant un milieu encore plus froid que les -252,9 ℃ requis.
Le refroidisseur cryogénique GM
Le premier liquéfacteur à atteindre des températures extrêmement basses grâce à des techniques astucieuses est le cryoréfrigérant Gifford-McMahon (GM). Le refroidisseur GM est un système de refroidissement efficace qui utilise ce que l’on appelle un cycle de refroidissement. En conduisant l’hydrogène gazeux au-delà de la partie la plus froide du cryoréfrigérateur, il devient suffisamment froid pour atteindre la forme liquide.
Comment cela fonctionne-t-il ? Le cryorefroidisseur GM utilise un milieu de travail, dans ce cas, l’hélium. Le fonctionnement et le cycle de refroidissement du système sont expliqués par une représentation schématique. Le cycle comprend quatre phases :
- Pendant la première phase, le côté haute pression du compresseur est relié par une vanne rotative à la « tête froide », qui contient le plongeur, le régénérateur et les échangeurs de chaleur. L’échangeur de chaleur froid est en contact avec l’hydrogène, qui se condense. Le déplaceur se déplace vers la position extrême gauche, faisant passer l’hélium chaud de la chambre chaude à la chambre froide en passant par le régénérateur. L’hélium libère temporairement de la chaleur au régénérateur en cours de route et atteint la chambre froide avec la température Te.
- Puis, au cours de la deuxième phase, la taille de la chambre froide est maximisée et la tête froide est reliée au côté basse pression du compresseur par la vanne rotative. Une partie de l’hélium retourne vers le côté chaud de la tête froide. L’hélium se dilate de manière isotherme, extrayant la chaleur de l’hydrogène par l’intermédiaire de l’échangeur de chaleur de la chambre froide.
- Au cours de la troisième phase, le déplaceur se déplace vers la position extrême droite, et le gaz froid traverse le régénérateur, où il se réchauffe, pour se retrouver dans la chambre chaude.
- Enfin, au cours de la quatrième phase, la chambre chaude est reliée au côté haute pression du compresseur par la vanne rotative. La chaleur dégagée par la compression isotherme est dissipée par l’échangeur de chaleur situé sur le côté chaud de la tête froide, après quoi le cycle se répète.
Le cryoréfrigérant GM a été développé dès 1963 par Gifford-McMahon et a depuis été utilisé dans diverses configurations, principalement pour des systèmes à petite échelle tels que les machines IRM, les cryopompes et la liquéfaction de gaz comme l’hydrogène.
Représentation schématique du fonctionnement d’un cryoréfrigérant GM.
Source : Wikipedia
Le cryogénérateur de Stirling
Un deuxième liquéfacteur très adapté à la liquéfaction de l’hydrogène est le cryogénérateur Stirling. Ce refroidisseur, lui aussi, atteint des températures suffisamment basses pour transformer l’hydrogène gazeux en sa forme liquide lorsqu’il passe dans le refroidisseur.
Le cryogénérateur de Stirling est basé sur une méthode très ancienne appelée le cycle de Stirling, qui a été développé dès 1816 par Robert Stirling. Semblable au cryorefroidisseur GM, le cryogénérateur peut refroidir pratiquement n’importe quel gaz ou liquide à des températures extrêmement basses (inférieures à -253 ℃).
Comment cela fonctionne. Le cryogénérateur est un système fermé qui utilise de l’hélium gazeux pour refroidir un autre milieu ou une autre substance, comme l’hydrogène. Le refroidissement est obtenu en comprimant et en dilatant alternativement le gaz hélium. La compression se produit à température ambiante pour permettre la dissipation de la chaleur, tandis que l’expansion se produit à (et fournit) la basse température requise.
Le gaz est envoyé dans le système à l’aide d’un déplaceur, en passant par divers échangeurs de chaleur et un régénérateur. Ce système intelligent peut atteindre efficacement le froid extrême sans émettre de gaz toxiques, ce qui rend cette méthode très respectueuse de l’environnement.
Comme le cryoréfrigérant Gifford-McMahon (GM), le cryogénérateur Stirling est principalement utilisé pour les systèmes à petite échelle. Pour les systèmes à grande échelle, on utilise le plus souvent des systèmes Joule-Thomson, comme nous le décrivons dans la section suivante de ce blog.
https://www.youtube.com/watch?v=GqIapDKtvzc&t=438s
Une vidéo datée mais néanmoins fascinante de Philips Cryogenics sur le développement et la technologie du cryogénérateur.
Vous voulez en savoir plus sur le fonctionnement du cryogénérateur Stirling et du cryorefroidisseur GM ? Cet article, publié dans Cold Facts, détaille les similitudes et les différences entre ces deux méthodes.
Liquéfaction à l’aide d’un matériau encore plus froid
Enfin, l’hydrogène peut être liquéfié en le refroidissant avec un matériau encore plus froid que l’hydrogène liquide : l’hélium liquide. L’hélium liquide a une température d’au moins -269 ℃ (à la pression atmosphérique) et est donc considérablement plus froid que l’hydrogène liquide à -252,9 ℃. Dans ce type de système, l’hélium est liquéfié selon la méthode Joule-Thomson.
L’étude de l’European Spallation Source (ESS) est un excellent exemple de projet où cette méthode a été appliquée. Il y a quelques années, l’ESS a étudié la meilleure conception d’un liquéfacteur d’ hydrogène, utilisant de l’hélium liquide comme réfrigérant. L’hydrogène liquide serait finalement utilisé comme liquide de refroidissement lors des expériences de dispersion.
Comment fonctionne ce liquéfacteur? La conception de l’ESS se compose de deux parties distinctes, l’une pour l’hélium liquide et l’autre pour l’hydrogène. Le refroidisseur d’hélium est relié par des lignes de transfert relativement longues à un système d’expansion à turbine connecté à la boîte froide pour l’hydrogène. Celui-ci est ensuite fixé à un bouchon réflecteur de modérateur, également avec les lignes de transfert nécessaires.
Proposition d’organigramme pour la circulation de l’hydrogène cryogénique et le refroidisseur d’hélium dans le cadre du projet ESS.
Source : Physics Procedia (2015)
L’hélium passe dans un circuit et est traité de manière adéquate pour atteindre la température souhaitée afin de refroidir l’hydrogène. Le gaz passe par divers échangeurs de chaleur et est chauffé et refroidi sous la pression requise pour finalement atteindre et maintenir la température requise.
En raison des mesures de radioprotection impliquées dans ce projet, les emplacements et les distances entre le refroidisseur d’hélium et le système d’expansion de la turbine sous la boîte froide d’ hydrogène sont assez longs. Les composants du système sont reliés par de longues lignes de transfert ; c’est pourquoi
L’expertise de Demaco joue ici un rôle important.
Demaco est un expert dans la conception et la fabrication de lignes de transfert pour les liquides cryogéniques et était donc le partenaire idéal pour ce projet. Dans des projets tels que le projet ESS, nous réfléchissons avec nos clients à des questions complexes, notamment celles liées à la liquéfaction de l’hydrogène. Aucun défi n’est trop grand pour nous, et nous sommes fiers de notre expertise dans divers projets d’hydrogène.
Vous souhaitez en savoir plus sur le projet ESS ? Dans cet article paru dans Physics Procedia, Klaus et ses collègues entrent dans les détails du liquéfacteur avancé.
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Vous souhaitez en savoir plus sur notre travail avec l’hydrogène liquide ? Jetez donc un coup d’œil à cette page ou à nos récents blogs sur le gaz d’évaporation et les conduites d’hydrogène. Dans ces articles, vous pourrez lire tout ce qui concerne les caractéristiques de l’hydrogène liquide et l’implication de Demaco dans le développement des meilleures infrastructures cryogéniques.