Brevet FR2636674A1 — publié le 19900323

-J-- La présente invention concerne la production d'élec- tricité en général et plus particulièrement un dispositif et un procédé pour produire de l'électricité dans un environne- ment spatial. Les dispositifs existants qui peuvent produire de l'électricité pour les engins spatiaux (dont les fusées, les stations spatiales, les satellites, etc.) se sont avérés inappropriés pour certaines applications. Les batteries et les dispositifs à énergie O10 solaire ne peuvent fournir de grandes quantités d'électricité (c'est-à-dire supérieures à environ 1 kWatt) sans pénalité en matière de dimensions et de poids. Les turbogénérateurs entraînés par des générateurs à gaz ne peuvent produire de l'électricité sans libérer de l'eau dans l'espace. Il est envisagé que les opérations spatiales futures nécessitent un système de génération de l'électricité qui soit capable de fournir de grandes quantités d'électricité sans libérer de l'eau dans l'espace. Par exemple, les opérations de fabrication à pesanteur nulle à bord d'une station spatiale en orbite autour de la terre peuvent nécessiter de grandes quantités d'électricité alors que les performances des caméras de surveillance du temps à bord de la station spatiale seront dégradées si de l'eau était libérée dans l'espace comme sous-produit du système de production d'électricité de la station spatiale. -2- La présente invention a pour objet un dispositif et un procédé pour la production de grandes quantités d'électricité dans un environnement spatial. La présente invention a pour autre objet la fabrica- tion d'électricité d'une manière qui fournit une alternative à l'utilisation de l'énergie nucléaire. La présente invention a encore pour objet la fourni- ture d'électricité sans libération d'eau dans l'espace. Dans un premier mode de réalisation, le dispositif de production d'électricité de la présente invention comprend un générateur de gaz brûlant de l'hydrogène et de l'oxygène, un turbogénérateur, un appareil pour acheminer l'hydrogène jusqu'à la zone d'entrée du générateur de gaz et pour acheminer.l'hydrogène jusqu'à la turbine du turbogénérateur, et un appareil pour acheminer l'oxygène jusqu'à la zone d'entrée du générateur de gaz. Le dispositif de l'invention comprend également un mécanisme pour échanger de la chaleur entre l'échappement gazeux chaud (comprenant de la vapeur) du générateur de gaz et l'hydrogène acheminé jusqu'à la turbine du turbogénérateur. Le dispositif comprend en outre un mécanisme pour condenser en eau la quasi-totalité de la vapeur de l'échappement après que celui-ci ait échangé de la chaleur avec l'hydrogène acheminé jusqu'à la turbine. Le dispositif comprend en outre un appareil pour acheminer au moins une partie de l'eau condensée jusqu'à la zone de combustion du générateur de gaz et pour stocker l'eau condensée restante. Dans un autre mode de réalisation, le dispositif de production d'électricité de la présente invention comprend un générateur de gaz brûlant de l'hydrogène et de l'oxygène, un turbogénérateur, un condenseur, un échangeur de chaleur, un réservoir, et un appareil d'acheminement. L'appareil d'ache- minement comprend un moyen pour acheminer l'oxygène jusqu'à la zone d'entrée du générateur de gaz et un moyen pour acheminer l'hydrogène jusqu'au condenseur. L'appareil d'ache- -3- minement comporte en outre un moyen pour acheminer l'hydro- gène entre le condenseur et la zone d'entrée du générateur de gaz, entre le condenseur et l'échangeur de chaleur, et entre l'échangeur de chaleur et la turbine du turbogénérateur. L'appareil d'acheminement comprend en outre un moyen pour acheminer l'échappement entre l'orifice de sortie du généra- teur de gaz et l'échangeur de chaleur, entre l'échangeur de chaleur et le condenseur, entre le condenseur et la zone de combustion du générateur de gaz, et entre le condenseur et le réservoir. Dans une variante de réalisation, le dispositif de production d'électricité de la présente invention comprend un générateur de gaz brûlant de l'hydrogène et de l'oxygène, un turbogénérateur, un condenseur, des premier et second échan- geurs de chaleur, un réservoir, et un appareil d'achemine- ment. L'appareil d'acheminement comprend un moyen pour acheminer l'oxygène jusqu'au premier échangeur de chaleur et un moyen pour acheminer l'hydrogène jusqu'au condenseur. L'appareil d'acheminement comprend en outre un moyen pour acheminer l'hydrogène entre le condenseur et la zone d'entrée du générateur de gaz, entre le condenseur et le second échangeur de chaleur, et entre le second échangeur de chaleur et la turbine du turbogénérateur. L'appareil d'acheminement comprend aussi un moyen pour acheminer l'oxygène entre le premier échangeur de chaleur et la zone d'entrée du généra- teur de gaz. L'appareil a'acheminement comporte de plus un moyen pour acheminer l'échappement entre l'orifice de sortie du générateur de gaz et le second échangeur de chaleur, entre le second échangeur de chaleur et le condenseur, entre le condenseur et le premier échangeur de chaleur, entre le premier échangeur de chaleur et la zone de combustion du générateur de gaz et entre le premier échangeur de chaleur et le réservoir. Dans un autre mode de réalisation, le procédé de production d'électricité de la présente invention comprend -4- l'étape consistant à acheminer de l'oxygène et de l'hydrogène jusqu'à la zone d'entrée d'un générateur de gaz afin de produire un échappement gazeux chaud comprenant de la vapeur à partir de l'orifice de sortie du générateur de gaz, et l'étape d'acheminement de l'hydrogène jusqu'à la turbine d'un turbogénérateur. Le procédé comporte également l'étape d'échange de chaleur entre l'échappement du générateur de gaz et l'hydrogène qui est en cours d'acheminement jusqu'à la turbine du turbogénérateur, et l'étape de condensation en eau de la totalité de la vapeur de l'échappement après que celui- ci ait échangé de la chaleur avec 'l'hydrogène qui est acheminé jusqu'à la turbine du turbogénérateur. Le procédé comporte en plus l'étape consistant à acheminer au moins une partie de l'eau condensée jusqu'à la zone de combustion du générateur de gaz, et l'étape de stockage de l'eau condensée restante. Dans un mode de réalisation différent, le procédé de production d'électricité de la présente invention est identi- que au procédé discuté dans le paragraphe précédent sauf toutefois que l'étape consistant à acheminer de l'hydrogène et de l'oxygène jusqu'à la zone d'entrée d'un générateur de gaz afin de produire un échappement gazeux chaud comportant de la vapeur à partir de l'orifice de sortie du générateur de gaz est remplacée par une étape consistant à acheminer un mélange stoéchiométrique d'hydrogène et d'oxygène jusqu'à la zone d'entrée d'un générateur de gaz afin de produire un échappement de vapeur à partir de l'orifice de sortie du générateur de gaz. La présente invention permet d'obtenir plusieurs bénéfices et avantages. Le turbogénérateur fournit de grandes quantités d'électricité. Le générateur de gaz apporte une alternative à l'énergie nucléaire. Le fonctionnement à cycle d'eau fermé empêche que l'eau ne soit libérée dans l'espace. Le mélange stoéchiométrique hydrogène-oxygène utilise effica- cement le combustible. L'injection d'eau dans le générateur -5- de gaz permet son refroidissement. La suite de la description se réfère aux figures annexées qui représentent respectivement: Figure 1, un schéma du dispositif de production d'électricité de la présente invention, et figure 2, une élévation en coupe du générateur de gaz représenté schématiquement en figure 1. Le dispositif 10 de production d'électricité de la présente invention, comme cela est représenté en figure 1, comprend un générateur de gaz 12 brûlant de l'hydrogène et de l'oxygène afin de produire un échappement gazeux chaud comportant de la vapeur (et de préférence seulement de la vapeur). En bref, le dispositif comporte également un turbogénérateur 14 ayant une turbine 16 qui entraîne en rotation une génératrice 18 pour produire de l'électricité. La turbine 16 n'est pas entraînée par l'échappement du générateur de gaz 12 comme cela serait le cas d'un dispositif classique. Au contraire, la turbine 16 est entraînée par de l'hydrogène chauffé, l'hydrogène étant chauffé dans un second échangeur de chaleur 20 par échange thermique avec l'échappe- ment du générateur de gaz. La quasi totalité de la vapeur d'eau présente dans cet échappement se condense en eau dans un condenseur 22 et est en outre refroidie dans un premier échangeur de chaleur 23 par échange thermique avec de l'oxygène qui est acheminé jusqu'au générateur de gaz 12. Au moins une partie de l'eau, entraînée par une turbopompe 24, sert à refroidir le générateur de gaz 12, l'eau inutilisée 25 (le reste de l'eau) étant acheminée par l'intermédiaire d'une soupape 26 de régulation de pression d'admission jusqu'à un réservoir de stockage 28. Dans la poursuite de la description du dispositif, on se reportera à des moyens permettant d'acheminer de l'hydro- gène 50a à 50e (comprenant un liquide et/ou un gaz), de l'oxygène 48a et 48b (comprenant un liquide et/ou un gaz), ou un fluide d'échappement 60a à 60g (comprenant de la vapeur, - 6 - de la vapeur saturée, et/ou de l'eau). De préférence de tels moyens comprennent des conduites, des collecteurs, des tuyauteries, des soupapes, etc., pour le transport de l'hydrogène, de l'oxygène, ou du fluide d'échappement, comme cela est connu du technicien. De plus, les échangeurs de chaleur et le condenseur qu'on a mentionnés ci-dessus sont des moyens permettant un échange de chaleur et des moyens pour la condensation en eau et comportent tout type d'échan- geur de chaleur dans lequel l'échange de chaleur entre les deux substances ne comprend pas un mélange physique, un tel appareil comprenant deux jeux de tubulures multiples espacées étroitement, appareil dans lequel une substance s'écoule dans un logement qui est pénétré par les tubulures multiples de la seconde substance, et analogues. Le générateur de gaz 12 par combustion d'hydrogène et d'oxygène, comme représenté avec davantage de détails en figure 2, présente une zone d'entrée 30 (pour recevoir l'hydrogène et l'oxygène), une zone de combustion 32 (pour allumer l'hydrogène et l'oxygène et recevoir l'eau de refroidissement), et une sortie 34 pour l'échappement située dans une paroi intérieure poreuse 36 en forme de cloche, la paroi intérieure 36 étant entourée par une paroi extérieure imperméable 38 ayant la forme générale d'une cloche de manière à créer entre elles un canal 40 ayant la forme générale d'une cloche, dont on sait que cela est typique d'un moteur classique de fusée à l'hydrogène/oxygène. Alors que ce type de moteur est refroidi en dirigeant de l'hydrogène dans le canal, l'hydrogène traversant alors la paroi intérieure poreuse, le générateur de gaz 12 de la présente invention est refroidi en injectant de l'eau dans le canal 40 par l'intermédiaire d'un orifice d'entrée 42 ménagé dans la paroi extérieure 38, l'eau traversant alors la paroi intérieure poreuse 36 pour entrer dans la zone de combustion 32. Les deux parois 36 et 38 du générateur de gaz 12 sont traversées à proximité de la zone d'entrée 30 par un tube 44 d'admission - 7 de l'hydrogène, dans l'axe duquel est fixé un tube 46 d'admission de l'oxygène. L'hydrogène et l'oxygène sont allumés dans la zone de combustion 32 par un moyen classique (non représenté), ce moyen ne faisant par partie de la présente invention, d'o la production d'un échappement gazeux chaud contenant de la vapeur. Lorsque l'hydrogène et l'oxygène sont fournis dans un rapport stoechiométrique, il n'y a production que de vapeur. Les moyens 48a permettent d'acheminer l'oxygène jus- qu'au premier échangeur de chaleur 23. De préférence, l'oxygène se présentera sous la forme d'oxygène liquide froid pressurisé, comme cela est typique dans les moteurs de fusée. L'oxygène quittera le premier échangeur de chaleur 23 sous forme d'oxygène gazeux pressurisé, des moyens 48b servant à acheminer l'oxygène entre le premier échangeur de chaleur 23 et la zone d'entrée du générateur de gaz 12. Les moyens 50a acheminent l'hydrogène jusqu'au conden- seur 22. De préférence, l'hydrogène se présentera sous la forme d'un gaz froid pressurisé comme cela est connu du technicien. L'hydrogène quittera le condenseur 22 sous forme d'un gaz chaud davantage pressurisé, des moyens 50b achemi- nant l'hydrogène entre le condenseur 22 et la zone d'entrée du générateur de gaz 12. Pour provoquer le démarrage du générateur de gaz, des soupapes et conduites supplémentaires acheminent l'hydrogène et l'oxygène jusqu'à un allumeur (tous ces éléments n'étant pas représentés) comme cela est connu du technicien spécialisé en matière de fusées. Les moyens 50c acheminent l'hydrogène entre le conden- seur 22 et le second échangeur de chaleur 20. L'hydrogène quittera le second échangeur de chaleur 20 sous forme d'un gaz chaud hautement pressurisé, les moyens 50d acheminant l'hydrogène entre le second échangeur de chaleur 20 et la turbine 16 afin d'entraîner le turbogénérateur 14 et produire de l'électricité. De préférence, les moyens 50d comprennent un tube 52 quittant le second échangeur de chaleur 20 pour -8-- former deux branches conduisant à deux soupapes 54 et 56, la soupape 54 étant reliée par un tube 58 à la turbine 16 et la seconde soupape 56 débouchant dans l'atmosphère (en 59a). On remarquera que l'hydrogène consommé qui sort de la turbine s'échappe également dans l'espace (en 59b). Les moyens 60a, 60b, 60c permettent d'acheminer l'échappement du générateur de gaz entre l'orifice de sortie 34 du générateur de gaz 12 et le second échangeur de chaleur , entre le second échangeur de chaleur 20 et le condenseur 22 et entre le condenseur 22 et le premier échangeur de chaleur 23. De préférence, l'échappement est entièrement constitué de vapeur lorsqu'il entre dans le second échangeur de chaleur 20, et est saturé de vapeur d'eau lorsqu'il sort du second échangeur de chaleur 20 et entre dans le condenseur 22, et est de l'eau chaude lorsqu'il sort du condenseur 22 et entre dans le premier échangeur de chaleur 23. Les moyens 60d et 60e servent à acheminer l'échappe- ment constitué d'eau froide entre le premier échangeur de chaleur 23 et la partie à pompe 62 de la turbopompe 24 et entre la turbopompe 24 et la zone de combustion du générateur de gaz 12. Pour entraîner la turbopompe 24, les moyens 50e servent à acheminer l'hydrogène entre le condenseur 22 et la partie à turbine 64 de la turbopompe 24. L'hydrogène consommé qui sort de la turbine 64 s'échappe dans l'espace (en 65). Les moyens 60f et 60g sont également prévus pour acheminer l'échappement constitué d'eau froide entre le premier échan- geur de chaleur 23 et la soupape 26 de régulation de la pression d'entrée dans le réservoir et entre la soupape 26 et le réservoir 28. Le réglage de la soupape 26 détermine la partie de l'eau d'échappement qui entre dans le réservoir 28 et la partie qui est injectée dans la zone de combustion du générateur de gaz 12. Le procédé de production d'électricité de la présente invention comprend l'étape d'acheminement de l'hydrogène et de l'oxygène jusqu'à la zone d'entrée 30 du générateur de gaz 12 afin de produire un échappement gazeux chaud incorporant de la vapeur à la sortie 34 du générateur de gaz. Les étapes supplémentaires du procédé impliquent l'acheminement de l'hydrogène jusqu'à la turbine 16 du turbogénérateur 14, l'échange de chaleur entre l'échappement et l'hydrogène acheminé jusqu'à la turbine 16. Les autres étapes comprennent la condensation en eau de la quasi- totalité de la vapeur de l'échappement après que celui-ci ait échangé de la chaleur avec l'hydrogène acheminé jusqu'à la turbine 16, l'achemine- ment d'au moins une partie de l'eau condensée jusqu'à la zone de combustion 32 du générateur de gaz 12, et le stockage du reste de l'eau condensée. De préférence, un mélange générale- ment stoechiométrique d'hydrogène et d'oxygène est acheminé jusqu'à la zone d'entrée 30 du générateur de gaz afin de produire un échappement constitué généralement de vapeur à la sortie 34 du générateur. On remarquera que si le dispositif fonctionne de façon que tout gaz présent dans l'échappement reste après le premier échangeur de chaleur 23, la totalité de la sortie de l'échangeur de chaleur 23, dans une réalisation facultative, pourrait être acheminée jusqu'à la soupape 26 de régulation de la pression d'entrée et jusqu'au réservoir 28. Le réservoir 28 pourrait contenir un séparateur de gaz (un séparateur d'hydrogène dans le cas o le dispositif fonc- tionne pour favoriser la production d'hydrogène dans un échappement comprenant surtout de la vapeur) et un évent pour évacuer le gaz dans l'espace (ces deux éléments ne sont pas représentés). Des moyens (non représentés) seraient alors prévus pour acheminer l'eau entre le réservoir 28 et la partie à pompe 62 de la turbopompe 24. Le technicien comprendra le fonctionnement du dispositif de la présente invention à la lecture de la description précédente, et la comande du dispositif (conditions de fourniture de l'hydro- gène et de l'oxygène, réglage de la soupape 26 de régulation de la pression d'admission, réglage de l'entrée d'hydrogène - 10 - 54 dans la turbine du turbogénérateur et des soupapes 56 de dérivation, etc.) n'est pas décrite car ne faisant pas partie de la présente invention, une telle commande étant connue du technicien. - 11 - REVENDICATIONS 1. Dispositif pour la production d'électricité, carac- térisé en ce qu'il comprend: (a) un générateur de gaz (12) pour brûler de l'hydro- gène et de l'oxygène afin de produire un échappement gazeux chaud comportant de la vapeur, le générateur ayant une zone d'entrée (30), une zone de combustion (32), et un orifice d'échappement 34; (b) un turbogénérateur (14) comportant une turbine (16), (c) des moyens (50 a, b, d) pour acheminer l'hydrogène jusqu'à la zone d'entrée du générateur de gaz et pour acheminer l'hydrogène jusqu'à la turbine, (d) des moyens (48a-48b) pour acheminer l'oxygène jusqu'à la zone d'entrée du générateur de gaz, (e) un moyen (20) pour échanger de la chaleur entre l'échappement et l'hydrogène acheminé jusqu'à la turbine, (f) un moyen (22) pour condenser en eau la quasi- totalité de la vapeur de l'échappement après que celui-ci ait échangé de la chaleur avec l'hydrogène acheminé jusqu'à la turbine, (g) un moyen pour acheminer au moins une partie de l'eau condensée jusqu'à la zone de combustion du générateur de gaz et pour stocker le reste de l'eau condensée. 2. Dispositif pour produire de l'électricité, carac- térisé en ce qu'il comprend: (a) un générateur de gaz (12) pour brûler de l'hydro- gène et de l'oxygène afin de produire un échappement gazeux chaud incorporant de la vapeur, le générateur ayant une zone d'entrée (30), une zone de combustion (32) et un orifice d'échappement (34), (b) des moyens (48a-48b) pour acheminer l'oxygène jusqu'à la zone d'entrée du générateur de gaz; (c) un condenseur (22), (d) des moyens (50a) pour acheminer l'hydrogène - 12 - jusqu'au condenseur, (e) un échangeur de chaleur (20); (f) un turbogénérateur (14) comportant une turbine (16); (h) des moyens (50 b, c, d; 52; 58) pour acheminer l'hydrogène entre le condenseur et la zone d'entrée du générateur de gaz, entre le condenseur et l'échangeur de chaleur, et entre l'échangeur de chaleur et la turbine; (i) un réservoir (28) et; (j) des moyens (60 a, b, c, f) pour acheminer l'échappement entre l'orifice de sortie de l'échappement et l'échangeur de chaleur, entre l'échangeur de chaleur et le condenseur, entre le condenseur et la zone de combustion du générateur de gaz, et entre le condenseur et le réservoir. 3. Dispositif pour la production d'électricité, carac- térisé en ce qu'il comprend: (a) un générateur de gaz (12) brûlant de l'hydrogène et de l'oxygène pour produire un échappement gazeux chaud incorporant de la vapeur, le générateur ayant une zone d'entrée (30), une zone de combustion (32) et un orifice d'échappement (34), (b) un premier échangeur de chaleur (23); (c) un moyen (48a) pour acheminer l'oxygène jusqu'au premier échangeur de chaleur; (d) un condenseur (22); (e) un moyen (50a) pour acheminer l'hydrogène jusqu'au condenseur; (f) un second échangeur (20); (g) un turbogénérateur (14) ayant une turbine (16); (h) des moyens (50 b, c, d; 52; 58) pour acheminer l'hydrogène entre le condenseur et la zone d'entrée du générateur de gaz, entre le condenseur et le second échangeur de chaleur, et entre le second échangeur de chaleur et la turbine; M(i) un moyen (48b) pour acheminer l'oxygène entre le - 13 - premier échangeur de chaleur et la zone d'entrée du généra- teur de gaz; (j) un réservoir (28) et (k) des moyens (60a, b, c, d, f) pour acheminer l'échappement entre l'orifice de sortie de l'échappement et le second échangeur de chaleur, entre le second échangeur de chaleur et le condenseur, entre le condenseur et le premier échangeur de chaleur, entre le premier échangeur de chaleur et la zone de combustion du générateur de gaz, et entre le premier échangeur de chaleur et le réservoir. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le moyen d'acheminement de l'échappement entre le premier échangeur de chaleur et la zone de combustion (32) du générateur de gaz (12) comporte une turbopompe (24), le dispositif comportant aussi un moyen (50e) pour acheminer l'hydrogène entre le condenseur (22) et la turbopompe. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que le réservoir (28) comprend une soupape (26) de régulation de la pression d'entrée, et le moyen d'achemine- ment de l'échappement entre le premier échangeur de chaleur (23) et le réservoir (28) comprend un moyen pour acheminer l'échappement entre le premier échangeur de chaleur et la soupape (26) de régulation de la pression d'entrée. 6. Procédé pour la production d'électricité, carac- térisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à: (a) acheminer de l'hydrogène et de l'oxygène jusqu'à la zone d'entrée (30) d'un générateur de gaz (12) afin de produire un échappement gazeux chaud incorporant de la vapeur à partir de l'orifice de sortie (34) du générateur de gaz, (b) acheminer l'hydrogène jusqu'à la turbine (16) d'un turbogénérateur (14); (c) échanger de la chaleur entre l'échappement et l'hydrogène achemi..é jusqu'à la turbine; (d) condenser en eau la quasi-totalité de la vapeur de l'échappement après que celui-ci ait échangé de la chaleur - 14 - avec l'hydrogène acheminé jusqu'à la turbine; (e) acheminer au moins une partie de l'eau condensée jusqu'à une zone de combustion (32) du générateur de gaz; et (f) stocker le reste de l'eau condensée. 7. Procédé pour la production d'électricité, carac- térisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à: (a) acheminer un mélange généralement stoechiométrique d'hydrogène et d'oxygène jusqu'à une zone d'entrée (30) d'un générateur de gaz (12) afin de produire un échappement constitué généralement de vapeur à l'orifice de sortie (34) du générateur de gaz; (b) acheminer de l'hydrogène jusqu'à la turbine (16) d'un turbogénérateur (14); (c) échanger de la chaleur entre l'échappement et l'hydrogène acheminé jusqu'à la turbine; (d) condenser en eau la quasi-totalité de l'échappe- ment constitué de vapeur après que celui-ci ait échange de la chaleur avec l'hydrogène acheminé jusqu'à la turbine; (e) acheminer au moins une partie de l'eau condensée jusqu'à la zone de combustion (32) du générateur de gaz, et (f) stocker le reste de l'eau condensée.