Brevet FR3021174A1 — publié le 20151120

Procédé de transformation de l'énergie en utilisant du gaz comprimé et du métal liquide. 1. Domaine de l'invention L'invention concerne un système de transformation d'une énergie cinétique en une énergie électrique. L'invention concerne plus précisément le fait que l'énergie électrique peut être soit produite, soit consommée en utilisant un flux de métal liquide en mouvement dans un tube doté d'électrodes et reliant deux chambres contenant du gaz comprimé. 2. Art antérieur Un des grands enjeux à notre époque est la gestion de l'énergie. L'utilisation de carburant fossile provoque un réchauffement climatique de la planète en générant des gaz à effet de serre. De plus, les réserves de carburant s'épuisent rapidement, il est donc nécessaire de trouver d'autres sources d'énergie d'autant plus que les besoins en énergie augmentent. L'exploitation des énergies non basées sur du carburant fossile, dites renouvelables, est destinée à remplacer les modes de production anciens et polluant. Enfin, l'exploitation des énergies renouvelables relance la croissance dans de nombreux pays et génère de nombreux emplois. La première énergie renouvelable provient du soleil. La quantité d'énergie solaire que la Terre reçoit en une heure était supérieure à la consommation annuelle mondiale en 2002. De nos jours, cette production représente moins de 1% de la production mondiale d'énergie. D'autres énergies sont possibles comme le vent, les vagues, les courants marins, etc.... Ces énergies renouvelables sont généralement issues de phénomènes naturels et sont transformées par des équipements pour fournir de l'énergie, par exemple sous la forme de courant électrique. Il est aussi possible de récupérer de l'énergie excédentaire provenant d'une activité humaine. Par exemple, les transports et notamment les transports sur route ou ferroviaires produisent de l'énergie cinétique associé à un corps en mouvement. Malheureusement, ces modes de production sont intermittents et ne permettent pas d'assurer une production continue de l'énergie. Pour palier à ce problème, une solution consiste à stocker l'énergie excédentaire pour la restituer lorsque cela est nécessaire. Le stockage d'énergie est par exemple réalisé en pompant de l'eau en plaine pour la monter dans des lacs d'altitude. Lorsque les besoins en énergie augmentent, par exemple en hiver, des vannes sont ouvertes pour faire tourner des turbines et ainsi augmenter la production énergétique. Une façon de stocker de l'énergie consiste à gonfler des contenants avec un gaz sous pression. Le gonflage s'effectue par un compresseur alimenté la nuit par exemple, lorsque la production est excédentaire. Tout moyen de compression de gaz peut être utilisé pour stocker temporairement de l'énergie sous cette forme. En cas de besoin, le gaz est libéré et fait tourner une turbine et une génératrice pour produire de l'électricité. Des améliorations récentes ont permis de développer des centrales de stockage hydropneumatique sur ce principe. L'énergie produite est par exemple utilisée par un accélérateur Magnéto Hydro-Dynamique, en abrégé M.H.D. Un accélérateur MHD possède comme un moteur électrique un électroaimant générant un champ magnétique dans un induit. Dans le cas du moteur, l'induit est une bobine de fil métallique, alors que dans l'accélérateur MHD, l'induit est un liquide conducteur, par exemple un métal liquide. De même qu'un moteur, un accélérateur transforme de l'énergie électrique en énergie cinétique mais cette transformation s'effectue en débitant un courant électrique aux bornes d'électrodes immergées dans le fluide. Le fluide est mis en mouvement dans un champ magnétique, par un champ électrique. 3. Objectifs de l'invention La présente invention apporte une solution qui ne présente pas les inconvénients décrits plus haut, tout en proposant les avantages listés ci-dessus. 4. Exposé de l'invention Selon un aspect fonctionnel, l'invention concerne un système de transformation d'une énergie cinétique en une énergie électrique comprenant deux chambres divisées chacune en deux parties, l'une contenant du gaz et l'autre contenant du métal liquide. Les parties des chambres contenant du métal liquide sont reliées par au moins un tuyau pour le passage du métal liquide d'une chambre à une autre. Des aimants sont placés à proximité du tuyau pour générer un champ magnétique à travers le métal liquide, et deux électrodes placées à des endroits différents du tuyau sont en contact avec le métal liquide. Les pressions du gaz dans chaque chambre sont différentes. L'énergie électrique est générée sous la forme d'une tension électrique au niveau des électrodes lorsque le métal liquide se déplace au sein du tuyau sous l'effet de la pression du gaz contenu dans l'une des chambres. De cette manière, le système récupère une énergie potentielle due à la compression d'un gaz et la transforme en énergie électrique utilisable par n'importe quel appareil. Selon un autre aspect, l'invention concerne également un système de compression d'un gaz comprenant deux chambres divisées chacune en deux parties, l'une contenant du gaz et l'autre contenant du métal liquide. Les parties des chambres contenant du métal liquide sont reliées par au moins un tuyau pour le passage du métal liquide d'une chambre à une autre. Des aimants placés à proximité du tuyau génèrent un champ magnétique à travers le métal liquide, et deux électrodes placées à des endroits différents du tuyau sont en contact avec le métal liquide. Une tension électrique est appliquée aux extrémités du tuyau provoquant le déplacement du métal liquide sous l'effet du champ magnétique, le déplacement du métal d'une chambre à l'autre comprimant le gaz dans une des chambres. De cette manière, le système transforme une énergie électrique en un mouvement qui va comprimer un gaz. Ce gaz est éventuellement stocké dans un réservoir pour être utilisé par la suite. Les deux systèmes ont en commun la plupart des éléments ce qui confère de la réversibilité au système dans son ensemble. Ainsi, le système peut être utilisé pour stocker temporairement de l'énergie électrique sous la forme de gaz sous pression et pour restituer de l'énergie électrique par la détente de ce gaz au moment opportun. Selon un mode de réalisation, le passage du métal liquide entre les deux chambres s'effectue par un faisceau d'une pluralité de tuyaux disposés parallèlement formant un unique tube dont les deux extrémités sont en communication avec la partie de chaque chambre contenant le métal liquide. La direction des champs magnétiques qui traverse chaque tuyau dépende de la direction du flux qui le traverse. De cette manière, la tension appliquée à l'ensemble des tuyaux est plus élevée que sur un seul tuyau. Selon un mode de réalisation, le métal liquide est du galinstan, composé de gallium, d'indium et d'étain. De cette manière, le métal peut être utilisé à température ambiante. 5. Liste des figures D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante d'un mode de réalisation particulier, donné à titre de simple exemple illustratif et non-limitatif, et des dessins annexés, parmi lesquels : - la figure 1 présente un schéma d'un système de transformation réversible de l'énergie utilisant un métal liquide à température ambiante, - la figure 2 représente un schéma en coupe du faisceau de tube transportant du métal liquide selon un exemple de réalisation de l'invention, - la figure 3 présente un schéma d'un système de transformation réversible de l'énergie utilisant un métal liquide à haute température, - la figure 4 présente un tore permettant de générer une tension électrique à partir de la rotation d'aimants mus par un gaz sous pression, - la figure 5 présente un schéma de production d'un flux de métal liquide de forme hélicoïdale créé par des jets de gaz. 5 6. Description d'un mode de réalisation de l'invention 6.1 Principe général La présente invention concerne un système de transformation d'une énergie cinétique en une énergie électrique comprenant deux chambres divisées 10 chacune en deux parties, l'une contenant du gaz et l'autre contenant du métal liquide. Les parties des chambres contenant du métal liquide sont reliées par au moins un tuyau pour le passage du métal liquide d'une chambre à une autre. Des aimants sont placés à proximité du tuyau pour générer un champ magnétique à travers le métal liquide, et deux électrodes placées à des endroits 15 différents du tuyau sont en contact avec le métal liquide. Les pressions du gaz dans chaque chambre sont différentes. L'énergie électrique est générée sous la forme d'une tension électrique au niveau des électrodes lorsque le métal liquide se déplace au sein du tuyau sous l'effet de la pression du gaz contenu dans l'une des chambres. 20 A l'aide de la présente invention, une énergie électrique est générée et peut être utilisée pour alimenter des appareils électriques. Les mêmes moyens sont également utilisables pour comprimer un gaz en appliquant une tension électrique aux extrémités du tuyau véhiculant du métal liquide. 25 6.2 Description d'un mode de réalisation La FIG. 1 présente un schéma d'un procédé de transformation réversible de l'énergie cinétique en énergie électrique, selon un exemple particulier de réalisation utilisant un métal liquide à température ambiante. Le système produisant selon son mode de l'énergie cinétique ou de 30 l'énergie électrique comporte deux chambres 1 et 2, divisées chacune en deux parties, l'une contenant du gaz 6 et l'autre contenant du métal liquide 5. Les parties des chambres contenant du métal liquide sont reliées par un faisceau 3 d'au moins un tube 4. Le métal liquide 5 est, de préférence du galinstan qui est un alliage de gallium, d'indium et d'étain. Ce type de métal a les propriétés d'être liquide à température ambiante et d'être conducteur électrique et peu dangereux à manipuler. La conductibilité du galinstan est de 3,46 106 S/m, qui est assez proche de celle du cuivre (59,6 106 S/m) ou de l'aluminium (37,7 106 S/m). De façon générale, n'importe quel métal sous forme liquide peut être utilisé à condition qu'il soit bon conducteur électriquement. La suite du document décrit un système dans lequel un métal est chauffé pour le rendre liquide. Le gaz 6 est, par exemple de l'azote du fait de ses propriétés chimiques. Les tubes sont réalisés en matériau non conducteur électriquement, de la céramique ou du PVC par exemple. Des électrodes 7 sont placés sur les tubes constituant le faisceau 3, et pénètrent à l'intérieur pour être en contact avec le métal liquide, la distance entre les électrodes le long des tubes étant non nulle. L'électrode est reliée à un fil électrique. Selon le mode de fonctionnement, une tension U est recueillie aux bornes des fils ou est appliquée aux bornes de ces même fils. Chaque tube est soumis à un champ magnétique produit par des aimants permanents de type NdFeB / Fe générant un champ de l'ordre de un tesla. La différence de tension mesurée entre les électrodes de l'induit est générée par l'induction produite par les ondes internes et externes moins celle des aimants. En mode génération d'énergie électrique, le système reçoit du gaz 6 sous pression dans la chambre 1. Ce gaz est par exemple fourni par un réservoir 8 consistant en une pluralité de bouteilles capable d'emmagasiner du gaz sous pression (700 bars par exemple). A partir d'un volume déterminé (300 litres par exemple), le système devient avantageux pour un stockage temporaire d'énergie. Le gaz sous pression comprime le métal liquide contenu dans la partie de la chambre 1 et le propulse vers la chambre 2 à travers le faisceau 3 de tubes. Le déplacement du métal liquide dans le champ magnétique provoque l'apparition d'une tension électrique U aux bornes des électrodes placées sur les tubes. L'expérience montre que l'écoulement de Galinstan 5 dans un tube de 1 mètre de large à une vitesse de 10 mètres par seconde génère une tension de 0,3 volts pour une puissance de 15 000 Watts. La tension recueillie aux bornes des électrodes est utilisable par tout appareil électrique. En mode compresseur, le système reçoit de l'énergie électrique sous la forme d'une tension U appliquée entre les électrodes 7 placés sur les tubes constituant le faisceau 3, la distance entre les électrodes étant non nulle. Le courant qui circule dans le métal liquide 5 entre les électrodes 7 génère un champ électrostatique. La combinaison du champ électrostatique et du champ magnétique provoque un déplacement du métal liquide sous la forme d'un flux. Le sens du courant électrique est déterminé de façon que le métal liquide se déplace de la chambre 1 vers la chambre 2. Le gaz 6 contenu dans la chambre 2 est comprimé et se déplace vers le réservoir 8. Les chambres comportent un jeu de soupapes placées dans la partie contenant le gaz, de sorte que chaque chambre se transforme en piston qui, par le flux de métal liquide, aspire du gaz dans un second réservoir et le comprime dans le réservoir 8 à une pression de plus en plus grande. Selon un exemple simple de réalisation, le gaz est de l'air qui est aspiré de l'atmosphère et est comprimé dans le réservoir 8. Ce mode de fonctionnement peut fonctionner lorsque les moyens de production électrique produisent plus d'énergie électrique que nécessaire. Une fois que le réservoir 8 atteint sa pression nominale, alors cette énergie excédentaire peut être utilisée pour générer de l'énergie électrique. Le système commute alors en mode génération d'énergie. Il est bien entendu que le système décrit précédemment peut aussi être utilisé selon un seul mode de fonctionnement, soit pour produire de l'électricité, soit pour comprimer un gaz. La FIG. 2 présente un schéma détaillant la section du faisceau 3 d'une pluralité de tubes parallèles entre eux. Dans le mode de réalisation décrit, le faisceau comporte 7 colonnes de 3 tubes transportant du métal liquide, l'ensemble formant une superposition de 3 nappes de tubes. Deux aimants longitudinaux 9 sont placés le long de chaque tube et diamétralement opposés. De cette manière, le faisceau comporte une couche d'aimants, surmontée d'une couche de tubes, elle-même surmontée d'une couche d'aimants et ainsi de suite. Chaque aimant longitudinal génère ainsi un champ magnétique perpendiculaire à la direction des tubes qui traverse le tube au-dessus de lui, et le tube au-dessous de lui. La polarité des aimants d'une même colonne de tubes est inversée par rapport à celle des deux colonnes de tubes voisines. Les extrémités de deux tubes voisins d'une même nappe sont relies entre eux de façon que la nappe forme un seul tuyau dans laquelle le métal liquide se déplace. De cette façon, la direction des champs magnétiques traversant chaque tuyau dépendant de la direction du flux qui le traverse. Cette disposition permet que le métal liquide se déplace d'une direction à l'autre en changeant de tubes 4 et que les tensions générées par chaque tube en série se rajoutent. Selon le présent exemple de réalisation, la tension générée par le faisceau 3 est 21 fois supérieure à celle générée par un seul tube. La FIG. 3 présente un schéma d'un système de transformation de l'énergie cinétique en énergie électrique, selon un autre exemple particulier de réalisation utilisant un métal liquide à haute température. Dans ce mode de réalisation, le métal liquide est un mélange de sodium et de potassium (en abrégé Nak pour la suite du document) à une température de 500 °C environ dans un four vertical 10, une variante consiste à utiliser du Chlorure de Sodium, ou du sulfate de cuivre. Le four comporte deux parties, l'une contenant du métal liquide et l'autre du gaz. Des bobines à induction 11 placées dans la partie du four contenant le métal liquide maintiennent sa température à une forte valeur. Le métal liquide Nak entre dans le four par une entrée et ressort par une sortie où il effectue une boucle pour revenir à l'entrée. Ce circuit fermé 12 réalise un flux continu de métal liquide passant à travers le four et à l'extérieur de celui-ci. Selon un perfectionnement optionnel, un diffuseur 13 permet de récupérer de la chaleur excédentaire. Des aimants permanents 14, de type Supra par exemple sont placés dans une partie médiane du four 10 et appliquent un champ magnétique au flux de métal liquide. Des électrodes 15 sont disposées dans le four en des points diamétralement opposés et mis en contact avec le métal liquide. Ces électrodes reliées à des fils électriques 16 d'une section importante permettent de récupérer la tension électrique générée par le système de génération. Le four est parcouru par un flux de gaz 17 (de l'azote par exemple) mis en mouvement par une force extérieure. Le flux de gaz poussant le métal liquide de l'entrée du four vers sa sortie et anime celui-ci dans sa rotation au sein du circuit fermé 12. Le gaz est séparé du métal liquide à la sortie du four à l'aide d'un séparateur à effet centrifuge 18, plus communément appelé un cyclone selon les termes de l'homme du métier. Le gaz sortant du four est refroidi par un échangeur 19 pour venir dans un dispositif de mise en pression 20. Ce dispositif de mise en pression est par exemple des tubes flexibles placés sur la chaussée et soumis à la pression des véhicules roulant sur ladite chaussée. Ces véhicules poussent le gaz avec une force importante à l'entrée 21 d'un tore 30 dont nous verrons les détails par la suite. Des clapets 22 anti-retours évitent des retours du gaz dans les canalisations et définissent un sens de rotation du gaz dans son circuit fermé. Dans ce mode de réalisation, tout dispositif de mise en pression du gaz convient, on peut notamment utiliser des tuyères à gaz animées par des éoliennes, ou des pistons animées par le mouvement des vagues. Le dispositif de mise en pression 20 envoie du gaz sous pression dans l'échangeur 19 où il est réchauffé. Selon une variante, l'échangeur 19 est constitué de deux éléments séparés, l'un pour refroidir le gaz à l'entrée du dispositif de mise en pression 20, et l'autre pour le réchauffer en sortie dudit dispositif. Le four à induction 11 peut être alimenté directement par le secteur électrique. Selon une variante qui est décrite par la suite, le four à induction 11 est électriquement alimenté par le tore 30. A la date de dépôt de la présente invention, la variante qui vient d'être décrite est préféré à celle illustrée par la Fig.1, car le métal liquide à température ambiante, tel que du Galinstan est très onéreux. Si, par la suite, le prix du métal liquide à température ambiante baisse, alors le mode de réalisation illustré par la Fig.1, devient préférentiel. Dans l'exemple illustré par la Fig. 1 comme celui de la Fig. 3, le gaz 6 est directement en contact avec le métal liquide 5, ce qui peut provoquer un phénomène de saturation du gaz dans le métal liquide rendant ce dernier compressible. Selon un perfectionnement, les cavités contenant à la fois du gaz et du métal liquide segmentées de façon à intercaler une séparation entre ces deux milieux. La séparation s'effectue par un piston en acier élastique de cercle quasi fermé. La mise sous pressions du piston par le gaz ou le métal liquide augmente son diamètre qui vient en contact avec la surface interne de la cavité assurant assurer ainsi l'étanchéité entre les deux milieux (gaz/métal liquide). Selon une variante, le piston dispose d'une la membrane composée d'une armature solide à mémoire de forme (plastique, polymère etc..) dont le diamètre hors cavité est supérieur à cette dernière, enveloppée par un textile résistant (ex : kevlar). Un « liner » en polymère couvre la surface de contact entre le gaz et le métal liquide. Dans l'exemple illustré par la Fig. 1 comme celui de la Fig. 3, l'énergie électrique est recueillie par conduction. Selon une variante de réalisation, les électrodes sont connectées une bobine produisant un champ magnétique, ce champ est ensuite transformé en énergie électrique. Selon cette variante, l'énergie électrique est récupérée par induction. La Fig. 4 illustre un tore 30 permettant de produire de l'énergie électrique à partir d'un gaz sous pression, et destiné à alimenter notamment le four à induction du système illustré par la Fig. 3. Le gaz issu du dispositif de mise en pression 10 est injecté par une tuyère dont la direction est tangentielle à la surface du tore. Une pluralité d'aimants cylindriques sont placés à l'intérieur du tore et peuvent se mouvoir en rotation. La pluralité d'aimants forme une file circulaire ininterrompue, les pôles des aimants sont alternativement inversés, le nombre des aimants étant pair. Chaque champ magnétique d'un aimant étant orienté différemment de ses deux aimants voisins respectifs, les aimants se repoussent mutuellement laissant libres des espaces appelés « chambres >>. Les champs magnétiques étant de même puissance, les chambres ont la même taille. Des joints en matière souple en contact avec la paroi interne du tore permettent d'isoler les chambres. Le gaz exerce une pression dans une seule chambre à la fois et pousse l'aimant dans la direction du jet, de ce fait l'ensemble des aimants effectue une rotation qui est entretenu tant que le gaz est éjecté. La rotation rapide des aimants génère une variation importante du champ magnétique qui est capté par un solénoïde qui enroule le tore en formant une hélice. La tension aux bornes de ce solénoïde est recueillie et est transmise au four à induction 11 ou à tout autre usage, de ce fait le tore est en soi un convertisseur d'une énergie cinétique en une énergie électrique. Selon un perfectionnement illustré par la Fig. 5, le solénoïde est un flux de métal liquide qui est enroulé de façon hélicoïdale autour du tore et maintenu en équilibre dans l'espace par un vortex de gaz. Le tore comporte une enveloppe interne et une enveloppe externe (pour plus de lisibilité, ces deux enveloppes sont représentées l'une sur l'autre dans la figure 5, et non imbriquées). Les aimants circulent dans le volume délimité par l'enveloppe interne et le flux de métal liquide est emprisonné dans la couche située entre les deux enveloppes. L'enveloppe interne est percée d'une multitude de trous orientés tangentiellement à la surface avant de créer une couche de gaz à autre pression qui repousse le métal liquide de ladite enveloppe et évite ainsi les forces de frottement. Deux électrodes traversent l'enveloppe externe pour plonger dans le flux de métal liquide et ainsi recueillir la tension générée par le solénoïde ainsi constitué. Le mouvement hélicoïdal est assuré par l'orientation des trous d'éjection du gaz entre les deux enveloppes de façon que le vortex de gaz agisse à la fois comme coussin et comme une vis sans fin sur le métal liquide. L'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation qui viennent d'être décrits. En particulier, l'invention peut être mise en oeuvre dans tout système utilisant un gaz quel qu'il soit, comprimé par un liquide conducteur, à n'importe quelle température, ou ce même liquide conducteur animé en mouvement pour comprimer un gaz. REVENDICATIONS1. Système de transformation d'une énergie cinétique en une énergie électrique comprenant deux chambres (1,2) divisées chacune en deux parties, l'une contenant du gaz (6) et l'autre contenant du métal liquide (5), les parties des chambres contenant du métal liquide étant reliées par au moins un tuyau (4) pour le passage du métal liquide d'une chambre à une autre ; caractérisé en ce qu'il comporte des aimants (9) placés à proximité du tuyau destiné à générer un champ magnétique à travers le métal liquide, deux électrodes (7) placées à des endroits différents du tuyau étant en contact avec le métal liquide, l'énergie électrique étant générée sous la forme d'une tension électrique au niveau des électrodes (7) lorsque le métal liquide (5) se déplace au sein du tuyau (4) sous l'effet de la pression du gaz (6) contenu dans l'une des chambres (1,2), la pression du gaz dans chaque chambre (1,2) étant différente. 2. Système de compression d'un gaz (6) comprenant deux chambres (1,2) divisées chacune en deux parties, l'une contenant du gaz (6) et l'autre contenant du métal liquide (5), les parties des chambres contenant du métal liquide étant reliées par au moins un tuyau (4) pour le passage du métal liquide (5) d'une chambre à une autre; caractérisé en ce qu'il comporte des aimants (9) placés à proximité du tuyau (4) destiné à générer un champ magnétique à travers le métal liquide, deux électrodes (7) placées à des endroits différents du tuyau étant en contact avec le métal liquide, une tension électrique étant appliquée aux extrémités du tuyau déplace le métal liquide sous l'effet du champ magnétique, le déplacement du métal d'une chambre (1,2) à l'autre comprimant le gaz dans une des chambres. 3. Système de compression selon la revendication 1 ou 2 ; caractérisé en ceque le passage du métal liquide entre les deux chambres s'effectue par un faisceau (3) d'une pluralité de tuyaux disposés parallèlement (4) formant un unique tube dont les deux extrémités sont en communication avec la partie de chaque chambre (1,2) contenant le métal liquide, la direction des champs magnétiques traversant chaque tuyau dépendant de la direction du flux qui le traverse. 4. Système de compression selon l'une quelconque des revendications précédentes ; caractérisé en ce que le métal liquide est du galinstan, composé de gallium, d'indium et d'étain.