Stockage des gaz liquéfiés

Stocker les gaz sous forme liquéfiée permet de réduire considérablement le volume occupé. 1 tonne de butane sous forme gazeuse à pression atmosphérique occupe 400m3, tandis que sous forme liquide la même tonne de butane n'occupe que 1,7 m3. La forme liquide permet donc de stocker jusqu'à 230 fois plus de matière dans le même volume.

Il y a deux manières de stocker les gaz liquéfiés:
 - sous pression à température ambiante
 - à basse température (stockage cryogénique)

Stockage sous pression

Les équipements adaptés au stockage sous pression sont principalement des réservoirs cylindriques, en position horizontale ou verticale, ou bien des sphères.
La forme sphèrique permet une meilleure résistance à la pression de la paroi du réservoir. L'épaisseur de métal nécessaire pour résister à la pression interne peut être la moitié de ce qu'elle serait pour un réservoir cylindrique de même capacité. Elle sera préférée pour les stockages de forte capacité.
Les formes cylindriques permettent une meilleur intégration dans un environnement encombré. Elles seront privilégiées pour les stockages intermédiaires en unité de production.
Dans un stockage sous pression, le gaz est stocké à température ambiante. La pression qui s'établi dans le réservoir correspond à la tension de vapeur du liquide.

Précautions d'installation

Les gaz liquéfiés sont stockés sous forme de liquide saturé. Toute augmentation de température se traduira par une augmentation de la pression interne du stockage. Il convient de déterminer soigneusement la température maximale de stockage en exploitation pour en déduire la pression maximale de service du récipents.
S'ils sont pris dans un incendie, qu'ils soient combustibles ou non, ils peuvent être la source d'un phénomène de BLEVE (Boiling Liquid Expanding Vapour Explosion), extrêmement dévastateur. Des moyens particuliers de prévention et de lutte contre l'incendie doivent être envisagés; parmis les plus classiques, on peut citer:
 - ignifugation
 - installation sous talus de terre
 - système d'arrosage individuel et automatisé
 - aménagement d'une cuvette de rétention déportée

Le phénomène de BLEVE  est particulièrement violent si la température du fluide au moment de la rupture de l'enveloppe dépasse une certaine valeur nommée Température Limite de Surchauffe (TLS). A cette température correspond une pression de saturation à laquelle le réservoir sera soumis. Pour éviter de se trouver dans cette situation, il est recommandé de limiter la pression du réservoir à une valeur inférieure à cette pression de saturation. En cas d'incendie environnant, la soupape limitant la pression du réservoir déchargera continuellement, en lieu sûr, le débit de gaz généré.

Stockage cryogénique

Le stockage sous pression de larges volumes de gaz liquéfié peut conduire à des équipements ayant des épaisseurs de paroi excessives. On préfèrera alors un stockage à basse température, permettant d'opérer à plus faible pression.

Ces réservoirs opérant à des températures beaucoup plus basses que la température ambiante, demandent une isolation thermique poussée. Elle est obtenue grâce à une double enveloppe:
 - l'enveloppe interne, réalisée en aluminium ou en acier inoxydable (pour garder une résilience mécanique sufffisante à basse température) contient le liquide à stocker.
 - l'enveloppe externe généralement en acier carbone est destinée à assurer la stabilité de la construction et l'étanchéité vis à vis de l'air ambiant.
L'espace entre les deux enveloppes, est comblé par un isolant thermique (généralement de la perlite) et maintenu sous vide..

Les réservoirs de capacité supérieure à 5000m³ sont réalisés à fond plat et ne peuvent résister à aucune surpression (au delà de la pression atmosphérique)
Les réservoirs capable de résister à une surpression nécessitent la réalisation de fonds bombés. La réalisation de ces fonds bombés limite la taille maximum de ces réservoirs. De plus, leur résistance à la pression diminue quand la taille augmente.

Malgré une isolation thermique soignée, un léger transfert thermique provenant de l'environnement extérieur, sera observé.
Si la pression maximale admissible du réservoir est proche de la pression normale d'exploitation, aucune augmentation de pression ne pourra être tolérée, et un débit continu de gaz vaporisé sera constaté et devra être traité. Il pourra par exemple:
 - être liquéfié
 - alimenter un réseau d'utilisation du gaz
 - être torché s'il est combustible
 - être absorbé ou neutralisé dans une installation appropriée

Si une marge utile entre la pression normale d'exploitation du stockage et sa pression maximale admissible existe, le transfert thermique depuis l'environnement du réservoir provoquera une lente augmentation de sa température et de sa pression.

Réservoirs atmosphériques

Ces réservoirs dont l'exploitation est plus contraignante, sont destinés aux capacités les plus élevées, typiquement supérieures à 5000m3. Plusieurs principes de construction sont proposés:

réservoirs à simple enveloppe

la paroi unique du réservoir, construite en matériaux résistant aux basses températures, assure sa stabilité mécanique. L'isolant thermique sur les parois latérales, disposé à l'extérieur, sera composé de panneaux de mosse rigide. Il doit être protégé des agressions et muni d'une barrière efficace contre la pénétration d'humidité. Il est monté sur une dalle en béton. Un isolant thermique disposé sur le fond est destiné à prévenir le gel du sol qui pourrait dégrader les fondations. Une paroi isolante interne peut être suspendue au-dessus du niveau du liquide.

à compartiment unique et double enveloppe

la paroi unique du réservoir est constituée d'une enveloppe interne en acier résistant aux basses températures, et d'une enveloppe externe en acier carbone. L'espace entre les deux est remplie d'un isolant thermique. Celui-ci peut être de la perlite en vrac.

à compartiment unique et membrane d'étanchéité

l'enveloppe externe est faite d'une structure en béton. L'étanchéité est assuré par une membrane en acier inoxydable résistant aux basses températures pour la partie en contact avec le liquide, et en acier carbone pour le dôme. La membrane d'étanchéité repose sur des panneaux isolants en mousse rigide. Une membrane d'étanchéité secondaire protège les éléments de fondation en cas de fuite de la membrane principale.

à double compartiment

le liquide est stocké dans le compartiment interne réalisé en acier résistant aux basses températures. Il est enfermé dans un compartiment externe étanche et isolé, destiné à contenir une fuite éventuelle de liquide du compartiment interne.

Matériaux utilisables

L'acier carbone et les matières plastiques deviennent rapidement cassants à basse température. L'usage de l'acier carbone est  limité à des températures supérieures à -20°C à moins qu'il ai subit un traitement particulier de désoxygènation. Il est alors dit "calmé" est peut être utilisé jusqu'à -40°C.
Pour les applications cryogéniques, les matériaux les mieux adaptés sont:
 - les aciers inoxydables austénitiques
 - les aciers à 9% de nickel
 - les alliages d'aluminium, tels que les types 5083 et 6003, utilisables jusqu'à la température normale de l'hélium liquide (-269°C)
 - les alliages de cuivre

Isolation thermique

L'isolation thermique des réservoirs à basse température doit satisfaire aux exigences suivantes:
 - limiter l'échauffement du liquide qui génèrera un débit de gaz qu'il faudra traiter
 - interdire la pénétration d'air humide en direction de la paroi froide du réservoir, qui conduirait à l'accumulation d'humidité, de glace et à une corrosion sous l'isolant.
 - être non combustible et résister à un incendie environnant
 - être mécaniquement résistant pour résister aux piétinements lors des opérations de maintenance sans perdre son étanchéité

Les isolants peuvent être:
 - des panneaux de mousse rigide découpés et assemblés
 - des panneaux de laine de verre
 - de la mousse injectée
 - de la perlite

Les isolant sont caractérisés par leur conductivité thermique. Celle-ci est de l'ordre de 0,04W/m/K.

La performance de l'installation est évaluée par le débit de gaz généré en flux continu. Il devra être de l'ordre de 0,05 à 0,1% de la capacité du réservoir, par 24h.

Phénomène de Rollover

Ce phénomène est abondament décrit à propos des stockages de gaz naturel liquéfié, mais par sa nature il pourrait se produire pour tout mélange de gaz liquéfiés.
Il suppose qu'une stratification de couches de densités différentes se produise dans le réservoir. Avec le temps et l'apport progressif de chaleur de l'extérieur, la couche supérieure, la moins dense perd progressivement ses composants les plus légers (les plus volatils et les moins denses) et voit sa densité augmenter, tandis que la couche inféreure s'échauffe, sans pouvoir dégazer puisque maintenue sous une pression hydrostatique supérieure. Sa densité donc tend à diminuer. Aucun mouvement de convection entre les deux couches ne se produit tant qu'une différence de densité persiste. Les densités des deux couches se rapprochant, il arrive le moment où la couche inférieure parvient à pénétrer la couche supérieure et à dégazer à son tour. Mais la chaleur accumulée par la couche inférieure pendant la phase précédente, fait que son dégazage est:
 - plus intense que le débit normal (plus de dix fois le débit normal selon les expériences rapportées)
 - et prolongé (plusieurs jours)
Aucune conséquence matérielle n'est cependant à craindre si les soupapes de dégazage du bac sont dimensionnées en conséquence.

Règlementation

La nomenclature des installations classées fait généralement référence au volume de produit stocké pour déterminer le classement de l'installation.

Les textes règlementaires définissent les GAZ COMBUSTIBLES LIQUEFIES comme des s combustibles dont la pression absolue de vapeur à 15°C est supérieure à la pression atmosphérique (100000Pa).
Ils sont dit SOUS PRESSION si leur température est telle la pression absolue de vapeur est supérieure à 160000Pa (0,6bars effectif).

Pour les réservoirs aériens de plus de 50t de GAZ COMBUSTIBLE LIQUEFIE, l'arrêté du 2/1/2008 défini les moyens de:
- contrôle de niveau
- contrôle de pression
- détection et limitation de fuites
- protection contre l'incendie

Les réservoirs opérant sous une pression supérieure à 0,5 bar effectif, doivent satisfaire aux exigences de la réglementation sur les équipements sous pression.

Caractéristiques de quelques gaz liquéfiés

	Temp normale d'ébullition [°C]	Pression  à 20°C [bars]	Temp critique [°C]	TLS [°C]	Pression à TLS [bars]
Ammoniac	-33,4	8,6	132,45	91,9	49,7
Cyclopropane	-32,8	6,2	124,65	84,9	26,9
Chlorure de méthyle	-23,8	5	143,15	101,5	31,9
iso-Butane	-11,7	3,1	134,95	94,1	17
Diméthyl amine	7,4	1,9
Dioxyde d'azote	21,1	0,96	158,25	115,1	28,4
n-Butane	-0,5	2,1	152	105	16,3
Diméthyl éther	-24,8	5	126,85	86,9	28,2
Phosgène	7,6	1,6	181,85	136	25
Butène-1	-6,3	2,6	146,45	104	19
Ethyl amine	16,6	1,2	182,55	137	29
Propane	-42	8,3	96,7	59	20
Butène-2-cis	3,7	1,8
Chlorure d'éthyle	12,3	1,3	187,2	141	24
Propylène	-47,7	10,3	91,85	55	22
Butène-2-trans	0,9	2
Oxyde d'éthylene	10,5	1,4	195,85	149	36
Dioxyde de soufre	-10	3,3	157,65	114	36
Chlore	-34,1	6,9	143,85	102	39
Méthyl amine	-6,3	3	156,85	114	38
Triméthyl amine	2,9	1,9	160,05	116	21
Ethane	-88,6	35,4	32,25	1	24
Ethylène	-104	supercritique	9,25	-19	25
Chlorure de vinyle	-13,4	3,1	156,55	113	22
Dioxyde de carbone	-78,5		31,05	0,6
Argon	-186	supercritique	-122,4	-137	25
Azote	-196	supercritique	-147	-160	16
Oxygène	-183	supercritique	-118,6	-134	26
Hélium	-268	supercritique	-268	-268	1,5
Méthane	-161	supercritique	-82,55	-101	23

TLS: Température Limite de Surchauffe pour le phénomène de BLEVE

Plus sur le web

European Industrial Gases Association