Modélisation de cuves de petite taille pour le stockage des liquides cryogéniques

Modeling of small-scale storage of cryogenic liquids

• Auteur / Autrice : Nicolò Baiguini
• Direction : Paolo Stringari
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique et génie des procédés
• Date : Soutenance le 15/12/2023
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Ingénierie des Systèmes, Matériaux, Mécanique, Énergétique (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre Thermodynamique des procédés. Fontainebleau
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : École nationale supérieure des mines (Paris ; 1783-....)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Noël Jaubert
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Paolo Stringari, Hassan Peerhossaini, Velisa Vesovic, Stefania Moioli, Marco Campestrini, Rony Tawk, Hugues Malvos
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Hassan Peerhossaini, Velisa Vesovic

Mots clés

Mots clés contrôlés

Petites centrales hydroélectriques

Azote liquide

Hydrogène liquide

Énergie -- Stockage

Cryotechnique

Mots clés libres

Stockage des liquides cryogéniques

Stratification thermique

Auto-pressuration

Petite-échelle

Hydrogène liquide

Azote liquide

Small scale

Cryogenic liquids storage

Liquid hydrogen

Liquid nitrogen

Thermal stratification

Self-pressurisation

Résumé

De nouveaux axes de recherche apparaissent dans le cadre du marché Small Scale (SS) (ou marché de détail) de fluides cryogéniques. Ce marché repose, entre autres, sur le stockage de liquides cryogéniques dans des réservoirs SS (< 100 m3) et nécessite des modèles fiables capables de prédire certaines propriétés (comme la température, la pression et le taux de remplissage) dont l'évolution temporelle est une conséquence des phénomènes de stockage propres aux réservoirs SS : la stratification thermique dans le liquide et dans le ciel vapeur, l'auto-pressurisation et le vieillissement.L'objectif de cette thèse est le développement d'un modèle prenant en compte de tels phénomènes et capable de reproduire les profils expérimentaux de température et de pression relatifs au stockage SS de l'azote liquide et de l'hydrogène liquide.Bien que les profils expérimentaux de température du liquide ne soient pas prédits avec précision, la dernière version du modèle surmonte avec succès certains problèmes critiques des versions précédentes, notamment en matière de prédiction de l'auto-pressurisation. Avant d'étendre le modèle au comportement de mélanges cryogéniques (comme le gaz naturel liquéfié) dans les réservoirs SS, d'autres pistes d'amélioration du modèle ont été suggérées. De plus, une conception préliminaire d'un réservoir SS pour la mesure de toutes les propriétés nécessaires à la validation du modèle a été proposée.

Small Scale (SS) applications in energy and transport sectors rest on the storage of cryopgeinc liquids in SS tanks and requires reliable models capable of predicting some physical variables (like temperature, pressure and filling ratio) whose time-evolution is a consequence of storage phenomena peculiar to SS tanks, such as thermal stratification in liquid and in the ullage, self-pressurisation and ageing.The objective of this thesis is the development of a model that considers such phenomena and capable of reproducing experimental temperature and pressure profiles related to the SS storage of liquid nitrogen and liquid hydrogen.Despite experimental liquid temperature profiles are not accurately predicted, the last version of the model successfully overcomes some critical issues of the previous ones especially in predicting the self-pressurisation. Before extending the model to the behaviour of cryogenic mixtures (like liquefied natural gas) in SS tanks, further modelling improvements have been suggested. Furthermore, a preliminary design of a SS tank for the measurement off all the properties that are needed for model validation has been proposed.