Brevet FR3080224A1 — publié le 20191018

Procédé et dispositif de génération d'énergie à bord d'un véhicule sous-marin, véhicule sous-marin comprenant un tel dispositif La présente invention concerne le domaine de la génération d'énergie en milieu sous-marin, plus précisément elle concerne un procédé de génération d'énergie à bord d'un véhicule sous-marin comprenant une première enceinte dont l'intérieur est réglé à une pression atmosphérique du véhicule sous-marin et une seconde enceinte dont l'intérieur est à une pression d'immersion. La génération d'énergie nécessite le plus fréquemment de l'oxygène que l'on trouve naturellement dans l'air, mais qu'il est difficile d'extraire en quantité suffisante en milieu sous-marin pour générer l'énergie nécessaire au fonctionnement d'un véhicule sous-marin. Les façons de générer cette énergie sont d'embarquer des systèmes de stockage d'énergie électrochimique, d'utiliser l'énergie nucléaire, ou de prévoir un système de stockage d'oxygène (« Air Independent Propulsion System »). Le but de l'invention est alors de proposer une solution qui facilite la production d'énergie électrique en quantité dans les conditions propres aux véhicules sous-marins. A cet effet, suivant un premier aspect, l'invention propose un procédé de génération d'énergie du type précité caractérisé en ce que, le véhicule sous-marin comprenant une batterie à circulation comprenant un premier réservoir d'un premier électrolyte, un deuxième réservoir d'un deuxième électrolyte, une cellule électrochimique comprenant une première et une deuxième demi-cellules séparées par une membrane d'échange, des premiers, respectivement deuxièmes, conduits de circulation entre le premier, respectivement deuxième, réservoir et la première, respectivement deuxième, demi- cellule, le procédé comprend les étapes suivantes : - disposition des premier et deuxième réservoirs dans la deuxième enceinte ; - disposition de la cellule électrochimique dans l'une des première et deuxième enceintes ; - mise en oeuvre d'une circulation du premier électrolyte entre le premier réservoir et la première demi-cellule et d'une circulation du deuxième électrolyte entre le deuxième réservoir et la deuxième demi-cellule. L'invention, en disposant les réservoirs d'électrolytes de la batterie à circulation à l'extérieur de la première enceinte, permet ainsi de pouvoir générer une grande quantité d'énergie sans être limité par les contraintes fortes liées à l'encombrement dans la première enceinte. 2 Dans des modes de réalisation, le procédé de génération d'énergie suivant l'invention comporte en outre une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : la pression de l'eau dans la deuxième enceinte est supérieure à 1 bar ; - les électrolytes circulent dans les conduits à ladite pression d'immersion ; 5 les électrolytes dans la cellule électrochimique sont à ladite pression d'immersion ; la cellule électrochimique est située dans la première enceinte. Suivant un deuxième aspect, la présente invention propose un dispositif de génération d'énergie pour un véhicule sous-marin comprenant une première enceinte adaptée pour résister à la pression d'immersion du véhicule sous-marin et être réglée au- 10 dedans à une pression atmosphérique et comprenant une deuxième enceinte adaptée pour être soumise à l'intérieur à une pression d'immersion du véhicule sous-marin, ledit dispositif de génération d'énergie comprenant une batterie à circulation comprenant un premier réservoir d'un premier électrolyte, un deuxième réservoir d'un deuxième électrolyte, une cellule électrochimique comprenant une première et une deuxième demi- 15 cellules séparées par une membrane d'échange, des premiers, respectivement deuxième, conduits de circulation entre le premier, respectivement deuxième, réservoir et la première, respectivement deuxième, demi-cellule, dans lequel les premier et deuxième réservoirs sont adaptés pour être disposés dans la deuxième enceinte, la cellule électrochimique est adaptée pour être disposée dans l'une des première et deuxième 20 enceintes ; et le dispositif de génération d'énergie est adapté pour mettre en oeuvre une circulation du premier électrolyte entre le premier réservoir et la première demi-cellule et d'une circulation du deuxième électrolyte entre le deuxième réservoir et la deuxième demi-cellule. Suivant un troisième aspect, la présente invention propose un véhicule sous-marin 25 comprenant : - une première enceinte adaptée pour résister à la pression d'immersion du véhicule sous-marin et être réglée au-dedans à une pression atmosphérique ; - une deuxième enceinte adaptée pour être soumise à l'intérieur à une pression d'immersion du véhicule sous-marin, et 30 - un dispositif de génération d'énergie suivant le deuxième aspect. Ces caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple, et faite en référence aux dessins annexés, sur lesquels : 35 - la figure 1 représente une vue schématique d'une batterie à circulation ; 3 la figure 2 est une vue d'un véhicule sous-marin dans un mode de réalisation de l'invention. La figure 1 représente schématiquement une batterie à circulation 10, dont, comme il est connu, le principe repose sur une réaction d'oxydation et une réaction de 5 réduction au niveau de chacune des électrodes 16a et 16b. La spécificité de la batterie à circulation vient du fait que les réactifs sont en solution dans un électrolyte liquide (nommé Ela sur la figure 1) pour la cathode différent de l'électrolyte liquide (nommé Elb sur la figure 1) pour l'anode : ils sont donc stockés séparément, chacun dans un réservoir respectif et chacun circulent, séparément, entre 10 leur réservoir et une demi-cellule respective d'une cellule électrochimique 14, d'où l'appellation donnée, à ce type de batterie, de batterie à flux redox (en anglais « redoxflow »). La demi-cellule 14a de la cellule 14 contient l'électrolyte Ela. La demi-cellule 14b de la cellule 14 contient l'électrolyte Elb. Dans la cellule 14, les demi-cellules 14a, 14b sont séparées par une membrane 15, 15 échangeuse sélective d'ions, qui autorise le passage d'ions communs aux deux électrolytes, ce qui donne lieu aux échanges d'électrons et de protons produisant ainsi de l'électricité alors disponible pour toute charge 17. Des pompes 13a, respectivement 13b, assurent la circulation des électrolytes Ela, respectivement Elb entre leur réservoir respectif et leur demi-cellule dans la cellule 14, 20 afin de renouveler chaque réactif à la surface de l'électrode correspondante. Cette circulation comprend : - la circulation de l'électrolyte Ela depuis le réservoir 11, jusqu'à la demi-cellule 14a via les conduits 18a (en aval de la demi-cellule 14a, selon le sens de circulation), puis de la demi-cellule 14a jusqu'au réservoir 11,, via les conduits 18'a (en amont de la demi- 25 cellule 14a) ; et - la circulation de l'électrolyte Elb entre le réservoir 11b jusqu'à la demi-cellule 14b via les conduits 18b en aval de la demi-cellule 14b, puis de la demi-cellule 14b jusqu'au réservoir 'Mb via les conduits 18'b en amont de la demi-cellule 14b. Typiquement, les électrolytes liquides contiennent des couples d'ions métalliques 30 (zinc/brome, polybromure/polysulfure de sodium et vanadium/vanadium). La puissance disponible est dépendante des dimensions de la membrane d'échange et des électrodes dans la cellule électrochimique 14 et la capacité de stockage énergétique du système est dépendante de la taille des réservoirs d'électrolytes Ela, Elb. La figure 2 est une vue schématique d'un sous-marin 1 comportant une première 35 coque 3, et une deuxième coque 4. Dans le mode de réalisation considéré, la première coque, dite coque interne 3, est située totalement ou au moins partiellement à l'intérieur 4 de la deuxième coque 4, dite coque externe 4. La coque interne 3 est épaisse, soit en acier, soit en titane ou avec un alliage dérivé de ces métaux, par exemple le titane aluminium. La première coque 3 délimite en son sein une première enceinte 5 réglée par un 5 outil de réglage de pression embarqué typiquement à une pression compatible avec l'activité humaine à la pression atmosphérique entre 0,87 bars et 1,08 bars, typiquement 1,01 bar. Dans la première enceinte 5 se trouvent notamment l'équipage du sous-marin, les instruments et les armes. 10 Une deuxième enceinte 6, délimitée par l'espace entre les première et deuxième coques 3, 4 est à la pression d'immersion une fois le sous-marin 1 immergé. La coque externe 4 est conçue pour opposer le moins de résistance possible aux frottements de l'eau. Elle n'a pas besoin de résister aux fortes pressions, étant donné que la partie intérieure et extérieure de la coque externe sont dans le même milieu, à savoir 15 l'eau. Elle n'a donc pas besoin d'être épaisse. Les ballasts sont situés entre la coque interne épaisse la coque externe mince et, en communication constante avec la mer, par le bas. Une purge est fixée en haut du ballast, pour plonger, cette purge s'ouvre et laisse s'échapper l'air se situant dans les ballasts, par le haut, en le remplaçant par de l'eau. Pour revenir à la surface, l'eau est remplacée par de l'air comprimé. 20 Le sous-marin 1 comporte en outre un dispositif de génération d'énergie 2. Dans le mode de réalisation considéré, le dispositif de génération d'énergie 2 comprend une batterie à circulation 10' présentant une structure telle que décrite en référence à la figure 1 et fonctionnant selon les principes décrits en référence à cette figure 1 25 Ainsi cette batterie à circulation 10' comprend deux réservoirs 61 et 62. Le réservoir 61 comprend un premier électrolyte, nommé EL1 sur la figure 2. Le réservoir 62 comprend un deuxième électrolyte, nommé EL2 sur la figure 2. La batterie à circulation 10' comprend en outre une cellule électrochimique 7 comprenant une première et une deuxième demi-cellules séparées par une membrane 30 (non représentées sur la figure 2), comme expliqué en référence à la figure 1, le premier électrolyte EL1 circulant dans la première demi-cellule et le deuxième électrolyte EL2 circulant dans la deuxième demi-cellule. Une pompe 81 assure la circulation, selon une boucle de circulation, de l'électrolyte EL1 entre le réservoir 61 et la cellule 7 via les canalisations 91 et 9'1 situées 35 respectivement en amont et en aval de la cellule 7. Une pompe 82 assure la circulation, 5 selon une boucle de circulation, de l'électrolyte EL2 entre le réservoir 62 et la cellule 7 via les canalisations 92 et 9'2 respectivement en amont et en aval de la cellule 7. Selon l'invention, les deux réservoirs 61 et 62, sont situés dans la deuxième enceinte 6, et soumis à la pression régnant au sein de la deuxième enceinte 6, dont la 5 pression atmosphérique et la pression de l'eau, dite pression d'immersion. La pression d'immersion est égale au nombre de dizaines de mètres d'immersion, et elle passe ainsi de 1 bar à 10 mètres à 10 bars en plongée à 100 mètres. La cellule électrochimique 7 est située dans la première enceinte 5. La présente invention permet ainsi de fournir de l'énergie électrique au véhicule 10 sous-marin 1 en bénéficiant, pour les réservoirs, des capacités de stockage permises par l'enceinte 6, et donc sans être limité par un quelconque espace de stockage dans la première enceinte 5. Les électrolytes sont à la pression d'immersion du sous-marin 1, tant dans les réservoirs, que dans les conduits de circulations que dans la cellule 7. La batterie à circulation est utilisée avec les électrolytes à cette pression. 15 On notera que les électrolytes sont stockés dans leurs réservoirs respectifs 61, 62 dans la deuxième enceinte 6 soit directement en eau, si leurs propriétés intrinsèques le permettent, soit dans une outre flexible dans le cas contraire. Des systèmes embarqués, tels que les systèmes de propulsion et auxiliaires électriques du navire par exemple utilisent l'énergie générée par la batterie à circulation. 20 Mettre la cellule électrochimique dans la première enceinte 5 permet de faciliter la maintenance et de ne pas avoir de transfert d'énergie électrique au travers de la coque épaisse 3. Il est également proposé un procédé de génération d'énergie à bord d'un véhicule sous-marin, utilisant un dispositif de génération d'énergie du type décrit ci-dessus. Ce 25 procédé comprend les étapes suivantes : disposition des réservoirs 61 et 62 dans la deuxième enceinte 6 ; disposition de la cellule électrochimique 7 dans la première enceinte 5 ; mise en oeuvre d'une circulation du premier électrolyte EL1 entre le réservoir 61 et la première demi-cellule de la cellule 7 et d'une circulation du second 30 électrolyte entre le réservoir 62 et la deuxième demi-cellule de la cellule 7. Dans un autre mode de réalisation, la cellule électrochimique 7 est située dans la deuxième enceinte 6, et non dans la première enceinte 5, ce qui a l'avantage REVENDICATIONS1.- Procédé de génération d'énergie à bord d'un véhicule sous-marin (1) comprenant une première enceinte (5) dont l'intérieur est réglé à une pression atmosphérique et une deuxième enceinte (6) dont l'intérieur est à la pression d'immersion, ledit procédé étant caractérisé en ce que, le véhicule sous-marin comprenant une batterie à circulation (10') comprenant un premier réservoir (61) d'un premier électrolyte (EL1), un deuxième réservoir (62) d'un deuxième électrolyte (EL2), une cellule électrochimique (7) comprenant une première et une deuxième demi-cellules séparées par une membrane d'échange, des premiers (91, 9'1), respectivement deuxièmes (92, 9'2), conduits de circulation entre le premier, respectivement deuxième, réservoir et la première, respectivement deuxième, demi-cellule, le procédé comprend les étapes suivantes : - disposition des premier et deuxième réservoirs dans la deuxième enceinte ; - disposition de la cellule électrochimique dans l'une des première et deuxième enceintes ; - mise en oeuvre d'une circulation du premier électrolyte entre le premier réservoir et la première demi-cellule et d'une circulation du deuxième électrolyte entre le deuxième réservoir et la deuxième demi-cellule. 2.- Procédé de génération d'énergie selon la revendication 1, selon lequel la pression de l'eau dans la deuxième enceinte (6) est supérieure à 1 bar. 3.- Procédé de génération d'énergie selon la revendication 1 ou 2, selon lequel les électrolytes (EL1, EL2) circulent dans les conduits (91, 9'1, 92, 9'2) à ladite pression d'immersion. 4.- Procédé de génération d'énergie selon l'une des revendications précédentes, selon lequel les électrolytes (EL1, EL2) dans la cellule électrochimique (7) sont à ladite pression d'immersion. 5.- Procédé de génération d'énergie selon l'une des revendications précédentes, selon lequel la cellule électrochimique (7) est située dans la première enceinte (5). 6.- Dispositif de génération d'énergie (2) pour un véhicule sous-marin (1) comprenant une première enceinte (5) adaptée pour résister à la pression d'immersion du véhicule sous- 7 marin et être réglée au-dedans à une pression atmosphérique et comprenant une deuxième enceinte (6) adaptée pour être soumise à l'intérieur à une pression d'immersion du véhicule sous-marin, ledit dispositif de génération d'énergie (2) comprenant une batterie à circulation (10') 5 comprenant un premier réservoir (61) d'un premier électrolyte (EL1), un deuxième réservoir (62) d'un deuxième électrolyte (EL2), une cellule électrochimique (7) comprenant une première et une deuxième demi-cellules séparées par une membrane d'échange, des premiers (91, 9'1), respectivement deuxième (92, 9'2), conduits de circulation entre le premier, respectivement deuxième, réservoir et la première, respectivement deuxième, 10 demi-cellule, dans lequel les premier et deuxième réservoirs sont adaptés pour être disposés dans la deuxième enceinte, la cellule électrochimique est adaptée pour être disposée dans l'une des première et deuxième enceintes ; et le dispositif de génération d'énergie (2) est adapté pour mettre en oeuvre une circulation du premier électrolyte entre le premier réservoir et la première demi-cellule et d'une circulation du deuxième 15 électrolyte entre le deuxième réservoir et la deuxième demi-cellule. 7.- Dispositif de génération d'énergie selon la revendication 1, dans lequel la deuxième enceinte (6) est adaptée pour supporter à l'intérieur une pression de l'eau supérieure à 1 bar. 20 8.- Dispositif de génération d'énergie selon la revendication 1 ou 2, configuré pour une circulation des électrolytes (EL1, EL2) dans les conduits (91, 9'1, 92, 9'2) à ladite pression d'immersion. 9.- Dispositif de génération d'énergie selon l'une des revendications précédentes, 25 configuré des électrolytes (EL1, EL2) dans la cellule électrochimique (7) à ladite pression d'immersion. 10.- Véhicule sous-marin (1) comprenant : - une première enceinte (5) adaptée pour résister à la pression d'immersion du 30 véhicule sous-marin et être réglée au-dedans à une pression atmosphérique ; - une deuxième enceinte (6) adaptée pour être soumise à l'intérieur à une pression d'immersion du véhicule sous-marin, et - un dispositif de génération d'énergie (2) selon l'une des revendications 6 à 9. 35