Brevet FR3090569A1 — publié le 20200626

Description Titre de l'invention : Système d'alimentation électrique pour un véhicule sous-marin [0001] La présente invention concerne un système (l'alimentation électrique pour un véhicule sous-marin. [0002] La présente invention concerne en particulier le domaine de l'alimentation électrique autarcique des véhicules sous-marins, tels que des sous-marins habités et des drones sous-marins. [0003] On connaît des systèmes d'alimentation électrique comprenant une pile à com- bustible et un système de production d'hydrogène. [0004] Dc tels systèmes d'alimentation présentent cependant des inconvénients. Notamment, les systèmes d'alimentation de l'état dc Fart sont encombrants et requièrent le stockage de multiples réactifs dans le véhicule sous-marin, ce qui demande des réservoirs spécifiques. [0005] Dc plus, ces systèmes d'alimentation connus font intervenir plusieurs réacteurs chimiques, par exemple un réacteur de reformage et un réacteur de shift. [0006] En même temps, des véhicules sous-marins en mission doivent être indépendants d'une alimentation extérieure du sous-marin. En d'autres termes ces véhicules sous-marins doivent être autonomes pendant des durées élevées. [0007] Un but de l'invention est ainsi de proposer un système d'alimentation pour un véhicule sous-marin qui est simple, peu encombrant, et qui confère en même temps une autonomie élevée au véhicule sous-marin. [0008] A cet effet, l'invention a pour objet un système d'alimentation électrique pour un véhicule sous-marin, le système d'alimentation électrique comprenant : [0009] - un réservoir de carburant comprenant un carburant ; [0010] - un réacteur configure pour recevoir un flux de carburant provenant du réservoir dc carburant et pour extraire du carburant au moins une partie d'hydrogène comprise dans le carburant, le réacteur étant configure pour fournir en sortie un premier flux comprenant la partie d'hydrogène extraite et un deuxième flux comprenant le carburant réduit de la partie d'hydrogène extraite ; [0011] - une pile à combustible configurée pour recevoir la partie d'hydrogène extraite du carburant et de l'oxygène et pour générer une tension électrique d'alimentation en utilisant la partie d'hydrogène extraite du carburant. [0012] Un tel système d'alimentation pour un véhicule sous-marin est simple, peu en- combrant et confère en même temps une autonomie élevée au véhicule sous-marin. [0013] En effet, l'autonomie du véhicule sous-marin est élevée du fait que la pile à com- 2 hustible est configurée pour recevoir la partie d'hydrogène extraite du carburant et de l'oxygène et pour générer une tension électrique d'alimentation en utilisant la partie d'hydrogène extraite du carburant. En particulier, la pile à combustible est approvisionnée en hydrogène, pendant des durées élevées, par le réacteur permettant d'extraire l'hydrogène du carburant traditionnel du véhicule sous-marin. [0014] Aussi, le système d'alimentation est simplifié car, selon l'invention, il ne nécessite pas de réservoir additionnel de combustible dédié à l'approvisionnement de la pile à combustible, mais permet d'utiliser le carburant traditionnel du véhicule sous-marin. [0015] Le système d'alimentation est également simplifié par rapport à des systèmes d'alimentation de l'état de la technique, car un seul réacteur suffit pour produire l'hydrogène pour la pile à combustible. [0016] Suivant dcs modes de réalisation particuliers, le système d'alimentation comprend une ou plusieurs caractéristiques suivantes, prises isolément ou suivant toutes les combinaisons techniquement possibles : [0017] - le système d'alimentation comprend au moins un dispositif de chauffage du carburant disposé en amont du réacteur ; [0018] - dispositif de chauffage est un dispositif de chauffage électrique ; [0019] - le système d'alimentation comprend au moins un échangeur configuré pour transmettre de l'énergie thermique entre le premier flux et/ou le deuxième flux, et le flux de carburant susceptible d'entrer dans le réacteur ; [0020] - le système d'alimentation comprend en outre un dispositif de refroidissement configuré pour refroidir la partie d'hydrogène extraite du carburant ; [0021] - ledit premier flux comprend en outre de l'hydrocarbure, le premier flux présentant une fraction volumique d'hydrocarbure inférieure à une fraction volumique d'hydrocarbure dudit flux de carburant provenant du réservoir de carburant, le système d'alimentation comprenant en outre un dispositif de séparation configuré pour séparer au moins une partie de l'hydrocarbure compris dans le premier flux de la partie d'hydrogène extraite contenu dans le premier flux ; [0022] - le système d'alimentation comprend en outre un dispositif d'électrolyse configuré pour fournir, à partir d'eau reçue en entrée, de l'hydrogène en sortie, et un dispositif de régénération du carburant configuré pour enrichir le carburant d'hydrogène en utilisant l'hydrogène fourni en sortie du dispositif d'électrolyse ; [0023] - le dispositif de régénération est formé par le réacteur ; [0024] - le dispositif d'électrolyse est en outre configuré pour fournir de l'oxygène en sortie, le système d'alimentation comprenant en outre un dispositif de liquéfaction de l'oxygène configuré pour liquéfier ledit oxygène ; [0025] - le système d'alimentation comprend en outre un circuit de refroidissement configuré pour refroidir le dispositif de régénération. 3 [0026] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui suit de modes de réalisation de l'invention, donnée à titre d'exemple uniquement, et en référence aux dessins parmi lesquels : [0027] [fig.1] - la figure 1 est une représentation schématique d'une partie d'un système d'alimentation électrique pour un véhicule sous-marin, et [0028] [fig.2] - la figure 2 est une représentation schématique d'une partie du système d'alimentation de la figure 1. [0029] Sur la figure 1, on représente une partie d'un système d'alimentation électrique 1 pour un véhicule sous-marin. [0030] Le système d'alimentation 1 est configuré pour alimenter un réseau électrique 2 à bord du véhicule sous-marin. Notamment, le système d'alimentation 1 est configuré pour fournir en sortie 4 de l'énergie électrique, transmise éventuellement par l'intermédiaire d'un convertisseur électrique 6 tel qu'un convertisseur de tension continue-continue. [0031] Le système d'alimentation 1 comprend au moins une pile à combustible 10, un réservoir d'oxygène 12 pour le stockage d'oxygène 13, un réservoir de carburant 14 et un réacteur 16. [0032] La pile à combustible 10 est configurée pour recevoir en entrée de l'oxygène 13 du réservoir d'oxygène 12 ainsi que de l'hydrogène du réacteur 16. La pile à combustible 10 est configurée pour générer une tension électrique d'alimentation en utilisant une partie d'hydrogène extraite du carburant (décrit ci-dessous). [0033] En particulier, la pile à combustible 10 est configurée pour générer la tension électrique par l'oxydation à une première électrode (non représentée) de l'hydrogène reçu en entrée, et réduction à une deuxième électrode (non représentée) de l'oxygène reçu en entrée. En particulier, la pile à combustible 10 est configurée pour fournir de l'énergie électrique en sortie 4 vers le réseau électrique 2. [0034] Selon un exemple, la pile à combustible 10 comprend en outre un dispositif de récu- pération d'hydrogène (non représenté) permettant de transmettre une partie de l'hydrogène reçu par la pile à combustible 10 vers une entrée du réacteur 16. Cela permet d'éviter les pertes de gaz lors des purges à l'entrée de la pile à combustible 10 et de simplifier l'architecture des éventuels dispositifs de traitement de l'hydrogène (non représentés) configurée pour éviter une accumulation de l'hydrogène en cas de fuite dans une atmosphère à bord du véhicule sous-marin à l'extérieur du dispositif d'alimentation 1. [0035] Le réservoir de carburant 14 est un réservoir configuré pour contenir un carburant 18 présentant notamment des caractéristiques nécessaires pour être utilisé par un moteur à combustion (décrit ci-dessous) disposé à l'intérieur du véhicule sous-marin. Le carburant 18 est par exemple du gazole, notamment du gazole pour le système principal de production d'énergie du sous-marin. Le carburant 18 comprend de l'hydrogène. En particulier, le carburant 18 comprend des molécules hydrocarbures qui comportent des atomes d'hydrogène. Par exemple, l'hydrogène représente au moins 10% de la masse de l'hydrocarbure. [0036] Selon un mode de réalisation, le réservoir de carburant 14 est configuré pour stocker entre 100 et 300 tonnes de carburant 18. Le réservoir de carburant 14 comprend une sortie reliée par une connexion au réacteur 16, la connexion étant configurée pour transférer le carburant du réservoir de carburant 14 vers le réacteur 16. [0037] Le réacteur 16 est configuré pour recevoir en entrée un flux de carburant FC provenant notamment du réservoir de carburant 14. Le réacteur 16 est en outre configuré pour extraire du carburant 18 au moins une partie d'hydrogène comprise dans le carburant 18. Le réacteur 16 est en particulier configuré pour mettre en oeuvre une réaction de déshydrogénation du carburant 18, notamment une réaction de déshydrogénation partielle. Par « réaction de déshydrogénation partielle » est entendu dans la présente description qu'une partie de l'hydrogène compris dans le carburant 18 est extraite du carburant. [0038] En particulier, la réaction déshydrogénation est décrite comme suit : [0039] CH -CH 2,z + 2H2, [0040] avec : [0041] Cx Hy de l'hydrocarbure ; [0042] CcH5._ 27 de l'hydrocarbure réduit d'une partie de l'hydrogène ; [0043] ZEL, de l'hydrogène (d'hydrogène), et [0044] x, Y, z des variables de nombres entiers. [0045] Le réacteur 16 est configuré pour fournir, à une première sortie 20, un premier flux Fl comprenant la partie d'hydrogène extraite et configuré pour fournir, à une deuxième sortie 22, un deuxième flux F2 comprenant le carburant 18 réduit de la partie d'hydrogène extraite. La première sortie 20 est reliée à la pile à combustible 10 et la deuxième sortie est reliée à une entrée 24 au réservoir de carburant 14. [0046] Selon un exemple, le premier flux F1 comprend principalement de l'hydrogène. Le premier flux FI comprend, par exemple, en outre de l'hydrocarbure, notamment en faible quantité. En particulier, le premier flux Fl présente une fraction volumique d'hydrocarbure inférieure à une fraction volumique d'hydrocarbure du flux de carburant FC provenant du réservoir de carburant 14. Le taux d'hydrocarbure du premier flux FI est notamment faible par rapport au taux d'hydrocarbure du flux de carburant FC. Par exemple, le premier flux F1 comprend des impuretés comprenant de l'hydrocarbure. L'hydrocarbure compris dans le premier flux Fl présente en particulier une fraction volumique faible par rapport à l'hydrogène compris dans le premier flux Fl . Par exemple, la faction volumique d'hydrocarbure dans le premier flux est inférieure à 5%, de préférence inférieure à 1%, notamment pour un exemple de réalisation du réacteur 16 comprenant des catalyseurs à hase de platine (symbole chimique Pt) et d'étain (symbole chimique Sn) sur un support d'alumine. En d'autres termes, le premier flux Fl ne comprend pas par exemple purement de l'hydrogène, niais également de l'hydrocarbure. [0047] Le principe de la déshydrogénation mise en oeuvre par le réacteur 16 est par exemple décrit par la thèse publiée de Elia GIANOTTI mfitulee « High purity hydrogen generation via partial dehydrogcnation of fuels », Université Montpellier II - Sciences et Techniques du Languedoc, 2014. [0048] Selon un mode de réalisation particulier, un dispositif de protection (non représenté) contre le soufre éventuellement compris dans le carburant 18 est installé en amont du réacteur. Le dispositif de protection comprend par exemple un lit de protection contenant du nickel. [0049] Selon un mode de réalisation, le système d'alimentation 1 comprend en outre une pompe 26 configurée pour transmettre le carburant 18 du réservoir de carburant 14 au réacteur 16. La pompe 26 est notamment installée entre le réservoir de carburant 14 et le réacteur 16. [0050] Selon un mode de réalisation, le système d'alimentation 1 comprend un ou plusieurs dispositifs additionnels pour réchauffeur le carburant 18 avant l'entrée dans le réacteur 16, la réaction de déshydrogénation d'hydrocarbure mise en oeuvre à l'intérieur du réacteur 16 étant en particulier endothermique. [0051] Par exemple, le système d'alimentation 1 comprend en outre au moins un échangeur configuré pour transmettre de l'énergie thermique entre le premier flux Fl et/ou le deuxième flux F2, et le flux de carburant FC. Comme représenté dans l'exemple de la figure 1, le système d'alimentation 1 comprend un premier échangeur 28 configuré pour transmettre de l'énergie thermique entre le premier flux Fl et le flux de carburant FC susceptible d'entrer dans le réacteur 16. Le système d'alimentation 1 comprend par exemple en outre un deuxième échangeur 30 configuré pour transférer de l'énergie thermique entre le deuxième flux F2 et le flux de carburant FC. Notamment, les premier et deuxième échangeurs 28, 30 sont configurés pour réchauffer le flux de carburant FC par transmission de l'énergie thermique du fluide du premier ou deuxième flux Fi, F2 au fluide du flux de carburant FC. [0052] Selon une variante non représentée, le système d'alimentation 1 comprend un seul échangeur configuré pour transmettre de l'énergie thermique entre le premier flux Fl et/ou le deuxième flux F2, et le flux de carburant FC. Selon un autre mode de réalisation, le système d'alimentation 1 comprend plus que deux échangeurs. [0053] Le système d'alimentation 1 comprend en outre, comme représenté dans l'exemple 6 de la figure 1, par exemple un dispositif de chauffage 32 du flux de carburant FC, disposé en amont du réacteur 16. Le dispositif de chauffage 32 est configuré pour chauffer le carburant 18 compris dans le flux de carburant FC. Le dispositif de chauffage 32 est de préférence un dispositif de chauffage électrique. [0054] Selon l'exemple de la figure 1, la pompe 26, le premier échangeur 28, le deuxième échangeur 30 et le dispositif de chauffage 32 sont reliés en série entre le réservoir de carburant 14 et le réacteur 16. [0055] Selon un mode de réalisation particulier, le système d'alimentation 1 comprend en outre un dispositif de séparation 34 configuré pour séparer au moins une partie de l'hydrocarbure compris dans le premier flux Fl de la partie d'hydrogène contenu dans le premier flux Fl . Notamment, le dispositif de séparation 34 est configuré pour séparer au moins une partie des éventuelles impuretés du premier flux Fl, notamment des traces de l'hydrocarbure, de l'hydrogène du premier flux F1. Le dispositif de séparation 34 est configuré pour fournir en sortie un premier flux purifiée Fl ', et pour transmettre les traces d'hydrocarbure séparées vers le flux de carburant FC, par une tuyauterie 36 dédiée. [0056] Selon un mode de réalisation, le système d'alimentation 1 comprend en outre un dispositif de condensation (non représenté) configuré pour mettre en oeuvre une condensation, au moins partielle, du fluide du premier flux Fl pour séparer de l'hydrogène du premier flux Fl . [0057] Selon un mode de réalisation, le système d'alimentation 1 comprend en outre un filtre 38 configuré pour filtrer le premier flux purifiée F1'. Le filtre 38 est configuré pour filtrer des impuretés restantes du premier flux purifiée F1', en amont de la pile à combustible 10. [0058] Selon un mode de réalisation, le système d'alimentation 1 comprend en outre un dispositif de refroidissement 40 configuré pour refroidir le fluide compris dans le premier flux Fl et éventuellement la pile à combustible 10. Selon l'exemple de la figure 1, le dispositif de refroidissement 40 comprend un premier circuit 42 comprenant un échangeur d'énergie thermique 44 configuré pour refroidir, et notamment condenser une partie du fluide du premier flux FI, à savoir la partie d'hydrogène extraite du carburant 18. Le premier circuit 42 est par exemple relié à un ensemble de refroidissement 46 du véhicule sous-marin. Le dispositif de refroidissement 40 comprend en outre un deuxième circuit 48, configuré pour échanger de l'énergie thermique avec le premier circuit 42 via un échangeur dédié 50, et en connexion fluidique avec la pile à combustible 10. Le deuxième circuit 48 est notamment configuré pour refroidir la pile à combustible 10. Le deuxième circuit 48 comprend par exemple une pompe 52 configurée pour faire circuler un fluide de refroidissement dans le deuxième circuit 48. 7 [0059] Selon un mode de réalisation préféré, représenté sur la figure 2, le système d'alimentation 1 comprend en outre un générateur électrique 60 mettant en oeuvre un moteur à combustion et un alternateur-redresseur, un dispositif d'électrolyse 62 et un dispositif de régénération 64. Pour des raisons de visibilité, certains éléments du système d'alimentation 1 représentées sur la figure 1 ne sont pas représentés à nouveau sur la figure 2. [0060] Selon un mode de réalisation préféré, le générateur électrique 60 est un générateur principal du véhicule sous-marin. [0061] Selon une variante, le générateur électrique 60 est distinct d'un générateur principal du véhicule sous-marin. [0062] L'homme du métier comprend notamment que le dispositif d'électrolyse 62 et le dispositif de régénération 64, selon le mode de réalisation représenté sur la figure 2, font partie intégrante du système d'alimentation 1 comprenant le réacteur. [0063] Le générateur électrique 60 est configuré pour recevoir du carburant 18 et de l'air at- mosphérique 66 et pour générer de l'énergie électrique en sortie 68, notamment pour l'alimentation électrique du dispositif d'électrolyse 62. Par exemple, le générateur électrique 60 est configuré pour mettre en oeuvre une combustion de carburant 18 reçu du réservoir de carburant 14. [0064] Le générateur électrique 60 est par exemple dénommé « Diesel Alternateur Re- dresseur ». [0065] Le dispositif d'électrolyse 62 est notamment configuré recevoir de l'énergie électrique du générateur électrique 60, ou alternativement d'une autre source d'énergie électrique. Le dispositif d'électrolyse 62 est également configuré pour recevoir en entrée de l'eau 68, par exemple de l'eau de mer, et pour fournir en sortie notamment de l'hydrogène H, et de l'oxygène Oz. Le dispositif d'électrolyse 62 est notamment configuré pour fournir de l'oxygène 02 et de l'hydrogène H2 en état d'agrégation gazeux. [0066] Le dispositif d'électrolyse 62 est tout dispositif configuré pour mettre en oeuvre une électrolyse de l'eau 68 dans le véhicule sous-marin. [0067] Le dispositif de régénération 64 du carburant 18 est configuré pour enrichir le carburant 18 d'hydrogène en utilisant l'hydrogène H2 fourni en sortie du dispositif d'électrolyse 62. En particulier, le dispositif de régénération 64 est configuré pour recevoir en entrée le flux de carburant FC du réservoir du carburant 14 et l'hydrogène H2 du dispositif d'électrolyse 62, et pour fournir en sortie un flux de carburant enrichi FCE comprenant le carburant 18 enrichi de l'hydrogène. [0068] Le dispositif d'électrolyse 62 et/ou le dispositif de régénération 64 est par exemple muni d'un dispositif de ventilation, représenté par une flèche 70 sur la figure 2, configuré pour garantir qu'aucune fuite potentielle ne constituera une atmosphère 8 explosive. En effet, le procédé d'hydrogénation mis en oeuvre par le dispositif de régénération 64 requière notamment une forte pression d'hydrogène en entrée, si bien qu'une fuite a un impact important et rapide sur la concentration en hydrogène de l'atmosphère. En conséquence, le dispositif de ventilation permet notamment d'améliorer davantage la sécurité du véhicule sous-marin. [0069] Le dispositif de régénération 64 est notamment configure pour mettre en oeuvre une réaction d'hydrogénation du carburant 18. En particulier, la réaction d'hydrogénation est décrite comme suit : [0070] CNHy_ 2z + zH2 C y, 100711 avec les définitions décrites ci-dessus. 100721 Selon un mode de réalisation particulier, le dispositif de régénération 64 est formé par le réacteur 16. Par exemple, le réacteur 16 est configuré pour modifier son fonctionnement au cours du temps, en mettant en oeuvre soit la réaction déshydrogénation, soit la réaction d'hydrogénation. Notamment, le réacteur 16 comprend des catalyseurs qui sont configurés pour mettre en oeuvre la réaction d'hydrogénation et aussi la réaction déshydrogénation. 100731 Selon un mode de réalisation alternatif, le dispositif de régénération 64 est distinct du réacteur 16. [0074] Selon un mode de réalisation particulier, le système d'alimentation 1 comprend en outre, comme représenté sur la figure 2, un dispositif de liquéfaction 71 d'oxygène configure pour liquéfier l'oxygène 0, fourni par le dispositif d'électrolyse 62 en état d'agrégation gazeux. Lc dispositif de liquéfaction 71 est en particulier configure pour transmettre de l'oxygène liquéfié LOX vers un réservoir d'oxygène liquide 72, tel qu'un réservoir cryogénique. [0075] Selon un mode de réalisation particulier, le dispositif de refroidissement 40 décrit ci- dessus comprend en outre un circuit de refroidissement additionnel 74 configure pour refroidir le dispositif de régénération 64, de préférence en utilisant de l'eau 68, par exemple de mer, comme un liquide de refroidissement. [0076] Selon un mode de réalisation alternatif, le circuit de refroidissement additionnel 74 est formé par le premier circuit 42. [0077] Le système d'alimentation 1 comprend en outre par exemple des dispositifs d'ouverture et fermeture, tels que des valves, non représentées, pour contrôler les flux de fluides à l'intérieur du système d'alimentation 1, notamment entre le réservoir de carburant 18, le réacteur 16, le générateur électrique 60, le dispositif d'électrolyse 62 et le dispositif de régénération 64. [0078] On conçoit que le système d'alimentation 1 est simple et confère en même temps une autonomie élevée au véhicule sous-marin. 9 [0079] Par ailleurs, le fait d'utiliser l'hydrogène extrait du carburant 18 pour la pile à com- bustible 10 permet d'améliorer la sécurité du système d'alimentation 1, du fait que l'hydrogène est, avant l'extraction par le réacteur 16, compris dans le carburant 18 qui présente une forme chimique stable. Lc risque d'explosion de l'hydrogène est ainsi davantage réduit. [0080] La réaction pour produire de l'hydrogène mise en oeuvre par le réacteur ne nécessite notamment aucune consommation d'oxygène. Ainsi, le réservoir d'oxygène 12 selon l'invention est simplifié et présente un encombrement réduit par rapport à des systèmes d'alimentation de l'état de la technique. [0081] Le système d'alimentation 1 permet de mieux respecter des exigences de discrétion acoustique du véhicule sous-marin. En effet, la discrétion acoustique du véhicule sous-marin est améliorée du fait d'une utilisation de la pile à combustible 10 pour la génération d'énergie électrique, car le système d'alimentation 1 comprenant la pile à combustible 10 émet très peu d'émissions sonores. En outre, la discrétion acoustique est améliorée du fait que, lors d'un fonctionnement du système d'alimentation 1, système d'alimentation 1 est notamment configure pour ne rejeter aucun fluide à l'extérieur du véhicule sous-marin. [0082] Le fait que le système d'alimentation comprenant au moins un échangeur 28, 30 configure pour transmettre de l'énergie thermique entre le premier flux Fl et/ou le deuxième flux F2, et le flux de carburant FC permet de réchauffer le carburant en amont de l'entrée dans le réacteur 16 et en même temps de refroidir le premier et/ou deuxième flux Fl, F2. Ainsi, l'efficacité énergétique du système d'alimentation 1 est améliorée. Cela est notamment avantageux du fait que le système d'alimentation 1 est disposé à l'intérieur d'un véhicule sous-marin, dans lequel des échanges de fluides avec l'extérieur du véhicule sous-marin sont limités Aussi, l'énergie thermique dissipée par le système d'alimentation 1 vers un intérieur du véhicule sous-marin est réduite par l'échange thermique à l'intérieur du système d'alimentation 1. [0083] Le fait que le système d'alimentation 1 comprend, selon un exemple, le dispositif de régénération 64 du carburant 18 permet également de respecter les exigences de discrétion, tout en présentant en même temps une autonomie élevée du véhicule sous-marin. En effet, lorsqu'une grande partie de l'hydrogène compris dans le carburant 18 est extraite du carburant par le réacteur 16, il est avantageux d'enrichir le carburant 18 d'hydrogène afin de garantir un fonctionnement optimal du moteur à combustion du générateur électrique 60. Le dispositif de régénération 64 permet ainsi d'augmenter l'autonomie du véhicule sous-marin du fait que le carburant 18 est utilisable pour le moteur de combustion du générateur électrique 60 pendant une mission du véhicule sous-marin, et permet en même temps la fourniture d'hydrogène à la pile à combustible 10. [0084] En outre, le fait que le dispositif de régénération 64 est, selon un mode de réalisation particulier, formé par le réacteur 16, permet de réduire le poids, l'encombrement et la complexité du système d'alimentation 1. 11