P&ID - Dimensionnement système H2
Il faut noter qu'en terme de pression, on distingue deux zones : la haute pression (HP) et la basse pression (LP).
La haute pression est la zone qui se trouve en amont du régulateur de pression (coté réservoirs) et la basse pression, après le régulateur de pression. Usuellement, la pression nominale partie haute est de l'ordre de 350, 500 et 700 bar. Pour la partie basse, c'est plutôt autour de 8 bar (cela dépend de la pile à combustible) et pour les moteurs à combustion interne hydrogène (HICE), ce sera autour des 35 bar.
Il est important de considérer cette partie pour le calcul de kilogrammes d'hydrogène disponible. En effet, c'est la pression nominale moins le minimum de pression pour le réservoir (durée de vie). En général, les fabricants de réservoirs préconisent 20 bar. Dans le cas des HICE, il ne faudra pas descendre en deçà de 40 bar (delta pression P1 P2).
Un P&ID (piping and instrumentation diagram/drawing) est ce qui définit un diagramme de tuyauteries et d’instrumentation (DTI). Ces diagrammes sont composés par une série de symboles qui nous permettent d’identifier tous les composants qui conforment un processus tel que des tuyauteries, nombre de lignes de tuyauterie et ses dimensions, vannes, des contrôles, des alarmes, des équipements, des niveaux, des régulateurs de pression, des inertages, des purges, des pompes, etc.. en fonction du cahier des charges.
Le P&ID se doit d'être le plus complet possible au départ afin d'intégrer tous les éléments nécessaires au fonctionnement de cet ensemble. Généralement, on retrouvera un système de réservoirs avec :
- Tuyauteries (diamètre, épaisseur et qualité).
- Vannes (manuelles, et/ou automatisées).
- TPRD (thermal or thermally-activated pressure relief device).
- Réducteur(s) de pression,
- Valves anti retour.
- Contrôle du flux.
- Capteurs de pression et de température.
- Embout de remplissage.
... et la liste n'est pas exhaustive.
Il y a la nomenclature ou BOM (Bill Of Material), la définition des composants, des éléments manufacturés, le choix éventuels des partenaires ou fournisseurs (suivant exigences du client). Ceci afin de répondre parfaitement au cahier des charges, mais aussi afin d'avoir une vision exacte de l'ensemble de votre système de réservoirs H2.
Rappel avec ce tableau ci-dessous, des densité de stockage de l'hydrogène dans certaines conditions de pression et de température - ici, on s'intéressera au numéro 2 (gaz pressurisé) :
Dimensionnement de la tuyauterie du système, calculs suivant cahier des charges :
Calculer les diamètres et épaisseurs des tuyaux en fonction de la pression et température admissibles, suivant la nuance de la matière.
Calculer le temps qu'il faut pour vider les réservoirs en fonction des diamètres d'évacuation. En effet, le cahier des charges peut obliger un temps maxi d'évacuation du gaz a travers des conduites d'évent, en cas d'urgence, avec le déclenchement des TPRD par exemple.
Calcul pour les diamètres en fonction de P1, P2 et du flow :
Régulateur de pression :
Dimensionnement et choix du régulateur de pression en fonction du débit choisi g/s ainsi que de la pression de sortie bar et de sa tolérance +- précise.
Certainement une des parties importante sur le choix du régulateur. il faut considérer :
- P1 la pression d'entrée.
- P2 la pression de sortie avec une tolérance précise.
- Les connexions.
- Le débit flow possible à P2.
Ci-dessous des photos de fournisseurs pour illustrer les différents composants d'un système complet de réservoirs hydrogène haute pression :
Sangle de réservoir :
Les sangles sont très importantes pour la tenue du réservoir sur le chassis ou cadre prévu pour le tenir. En effet, suivant les forces exercées, et les dimensions du réservoir, il faudra determiner le nombre de sangle nécessaire.
Réservoir type IV :
Pression de service (PN) de 350bar, 500bar, 700bar voire 900 et 1000bar.
Têtes de réservoir :
M-OTV : Manual on tank valve.
OTV : on tank valve with solenoid.
OTV-R : on tank valve with solenoid and pressure regulator integrated.
Bouchon de réservoir simple.
Bouchon de réservoir avec TPRD.
Bouchon de réservoir avec TPRD orientable.
TPRD (110°) avec différent orifice sortie (débit).
Embout de remplissage : 350 et 700bar.
Capteur de pression basse et haute pression.
Manomètre de pression.
Capteur de température.
Filtres hydrogène de 5µ, 10µ ou 50 µ.
Raccord simple.
Raccord coudé.
Raccord multiple.
Check valve.
Excess flow valve.
Vannes manuelles.
Vannes de purge.
Vannes avec pilotage pneumatique.
Vannes avec pilotage électrique.
Inertage avec l'azote N2 :
L’inertage décrit un procédé de protection contre les explosions, qui empêche la formation d'un mélange explosif à l'aide de gaz inerte.
On utilise l'azote comme gaz d'inertage. Le gaz inerte réduit la fraction volumique d'oxygène en dessous de la concentration limite en oxygène ou de la concentration en oxygène maximale admissible, de sorte que le mélange ne peut plus s'enflammer.
Liens ci-dessous de fabricants de composants (images utilisées) :
Hydrogen Development Solutions propose de vous accompagner : étude, analyse, commentaire, proposition du P&ID répondant à votre système de réservoirs hydrogène (de l'embout de remplissage à l'entrée de la pile à combustion ou au moteur à combustion interne; mais aussi les dimensionnements de diamètres des tuyaux suivant la pression, le débit, la vitesse subsonique ou sonique suivant les delta de pression. C'est le choix de tous les composants et appareils nécessaires répondant au cahier des charges.