Brevet FR3122161A1 — publié le 20221028

La présente invention concerne un aérostat captif autonome comportant un volume fermé de réserve d’hydrogène (24) assurant la sustentation, une membrane extérieure (40) équipée de cellules photovoltaïques (8) de réception du rayonnement solaire, et une liaison au sol (20) comprenant un câble de transmission de l’énergie électrique produite par les cellules. Un tel aérostat est caractérisé en ce qu’il comporte des moyens permettant de convertir l’hydrogène produit vers d’autres énergies choisies parmi l’eau, l’oxygène, la chaleur et l’électricité, lesdits moyens comprenant des dispositifs de captation d’eau ou de vapeur d’eau (4) contenues dans l’atmosphère, un électrolyseur (30) de l’eau recueillie dégageant du gaz hydrogène utilisé pour alimenter le volume de réserve d’hydrogène (24), et un conduit d’hydrogène contenu dans la liaison au sol (20), pour distribuer ce gaz hydrogène à terre, ainsi que des conduits permettant chacun de distribuer à terre au moins une autre des énergies converties. Applicable notamment à la distribution d’énergies à des environnements urbains. Figure pour l’abrégé : Figure 2 AÉROSTAT CAPTIF AUTONOME AVEC DISPOSITIFS DE GÉNÉRATION ET DE CONVERSION D’ÉNERGIES DURABLES DÉCARBONÉES. Domaine technique de l’invention La présente invention concerne un aérostat captif autonome comportant des dispositifs de génération, de conversion et de transport d’énergies durables décarbonées. Etat de la technique antérieur Face aux problèmes des émissions d’éléments polluants d’une part, et du coût d’extraction mais également de la raréfaction des énergies fossiles d’autre part, il est actuellement recherché des nouvelles sources d’énergies renouvelables. La Terre reçoit un rayonnement solaire formant une énergie uniformément répartie, présentant une intensité qui toutefois diminue avec la descente dans l’atmosphère, cette descente entraînant à la fois une réflexion d’une partie de cette énergie et une atténuation par un passage au travers des nuages, des gaz ou des poussières contenus dans cette atmosphère. De plus, une montée en altitude entraîne un éloignement de l’horizon, ce qui augmente la durée d’ensoleillement journalier. Afin de récupérer une énergie solaire en altitude, un type d’aérostat captif connu, présenté notamment par le document US-A1-20150053255, comporte un ballon allongé horizontalement, disposant en-dessous d’un réflecteur parabolique qui permet de réfléchir et de concentrer le rayonnement solaire vers des cellules photovoltaïques fixées sous ce ballon, afin d’optimiser la récupération d’énergie. L’énergie est ensuite transmise par un câble électrique de liaison au sol. Un autre type d’aérostat captif connu, présenté notamment par le document WO-A1-2016141484, comporte une série de panneaux solaires tournés vers le ciel, reliés ensemble pour former un nuage artificiel, qui reçoivent directement le rayonnement solaire pour le transformer en énergie électrique transmise ensuite au sol par un câble de liaison. Ces différents systèmes connus nécessitent un remplissage au sol de volumes fermés avec un gaz plus léger que l’air, de l’hydrogène ou de l’hélium, afin d’assurer la station en hauteur. Toutefois, ces gaz légers comportant des molécules de très faible dimension, il s’ensuit une perte constante au travers des enveloppes les contenants. De plus, on peut chercher à optimiser l’altitude de l’aéronef avec une variation du volume du gaz de sustentation, pour réaliser une adaptation continue du meilleur compromis de production d’énergie en fonction des besoins. Il peut être nécessaire de prévoir alors un complément régulier de gaz, tel par exemple une alimentation par un conduit compris dans la liaison au sol, ou une descente périodique à terre afin de compléter le volume de gaz. Ces opérations nécessitent des installations au sol d’alimentation ou de remplissage qui occupent un espace, entraînent des manipulations, réduisent la disponibilité de l’aérostat dans l’atmosphère pour produire l’énergie, et entraînent des complications et des coûts qui affectent la rentabilité de l’installation. Par ailleurs, si on souhaite stocker une énergie dans l’aéronef, par exemple pour conserver une énergie reçue le jour afin de la distribuer régulièrement pendant la nuit, l’utilisation de batteries pour stocker une quantité d’énergie électrique pose des problèmes de masse importante qui doit être compensée par des volumes très élevés de gaz de sustentation. Présentation de l’invention La présente invention a notamment pour but d’éviter ces problèmes de l’art antérieur. Elle propose à cet effet un aérostat captif autonome comportant un volume fermé de réserve d’hydrogène assurant la sustentation, une membrane extérieure équipée de cellules photovoltaïques de réception du rayonnement solaire, et une liaison au sol comprenant un câble de transmission de l’énergie électrique produite par les cellules, cet aérostat étant remarquable en ce qu’il comporte des moyens permettant de convertir l’hydrogène produit vers d’autres énergies choisies parmi l’eau, l’oxygène, la chaleur et l’électricité. A ces fins, l’aérostat selon l’invention comporte notamment des dispositifs de captation d’eau ou de vapeur d’eau contenues dans l’atmosphère, un électrolyseur de l’eau recueillie dégageant du gaz hydrogène utilisé pour alimenter le volume de réserve d’hydrogène, et un conduit d’hydrogène contenu dans la liaison au sol pour distribuer ce gaz hydrogène à terre ainsi que des conduits permettant chacun de distribuer au moins une autre des énergies converties. Un avantage de cet aérostat est que, par les dispositifs de captation d’eau ou de vapeur d’eau contenues dans l’atmosphère, on obtient une eau qui peut de manière autonome, grâce à l’énergie électrique produite par les cellules photovoltaïques, être décomposée en oxygène et en hydrogène dans l’électrolyseur. Cet hydrogène peut alors être utilisé pour effectuer une alimentation complémentaire du volume fermé de stockage, qui peut être fréquente et sans interrompre la production d’énergie, afin d’optimiser en particulier la hauteur de vol de l’aérostat pour assurer la meilleure rentabilité énergétique. De plus, on obtient de manière simple un moyen de stockage de l’énergie venant de l’électricité sous une forme gazeuse, présentant une masse très faible, qui peut être stockée dans l’aérostat ou délivrée à terre par un des conduits de distribution au sol. L’aérostat captif selon l’invention peut comporter de plus une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, qui peuvent être combinées entre elles. Avantageusement, l’aérostat comporte un volume fermé de stockage de gaz oxygène. Dans ce cas, la liaison au sol peut comporter un conduit d’oxygène permettant de distribuer le gaz oxygène à terre. Avantageusement, la liaison au sol peut comporter un conduit de descente d’eau ou de descente d’air prélevés dans l’atmosphère. Avantageusement, la membrane extérieure peut comporter des dispositifs de captation d’eau ou d’humidité dans l’air. Dans ce cas, avantageusement, les dispositifs de captation d’eau ou d’humidité dans l’air comportent une matrice polymère qui peut devenir hydrophile ou hydrophobe par un changement d’état, avec une réorganisation de ses molécules suivant l’environnement extérieur. De plus, la matrice polymère peut être thermosensible, en contenant un hydrogel qui avec une stimulation devient hydrophobe en provoquant une restitution sous forme liquide de l’eau captée dans cette matrice. Avantageusement, la membrane extérieure peut comporter des films photovoltaïques organiques souples permettant de suivre les déformations du ballon. Avantageusement, la membrane extérieure ou la liaison du ballon au sol peut comporter des cordons présentant des propriétés piézo-électriques, qui s’étirent ou se contractent suivant les déformations du ballon ou suivant l’allongement de la liaison au sol en réalisant ainsi une production d’électricité. Avantageusement, l’aérostat peut comporter un système de commande automatisé mettant en œuvre un algorithme qui arbitre des choix afin de satisfaire la demande en énergies, mettant en œuvre une matrice de conversion de la production et de la transformation des énergies. Dans ce cas, avantageusement, l’algorithme comporte des dispositifs de réception de données venant de stations météorologiques. L’algorithme peut comporter de plus des dispositifs de réception d’éléments mesurés par des sondes et capteurs du ballon, comprenant l’altitude, la vitesse du vent, la température, l’ensoleillement, l’hygrométrie, la composition de l’air avec une mesure des particules fines, des composés organiques, du dioxyde de carbone et de l’azote, et l’état de ses réserves d’énergies et de fluides. L’algorithme peut comporter de plus des dispositifs d’analyse des besoins énergétiques passés, relatifs à la consommation d’énergie antérieure, et des dispositifs de déduction des moyens nécessaires pour satisfaire la demande à venir. L’invention sera mieux comprise et d’autres caractéristiques et avantages apparaîtront plus clairement à la lecture de la description ci-après donnée à titre d’exemple, en référence aux dessins annexés dans lesquels : est un graphique général de circulation des flux dans un aérostat selon l’invention ; et est un schéma en coupe verticale de cet aérostat. Description des modes de réalisation préférés Dans l’ensemble du document, les côtés supérieur et inférieur et les expressions au-dessus ou en dessous sont relatifs à un axe vertical par rapport à la terre. La présente un aérostat formant un ballon captif 2 maintenu en altitude, comportant un volume fermé d’hydrogène de sustentation, des membranes de surface avec des dispositifs de prélèvement d’eau 4 sous forme de vapeur d’eau contenue dans l’air ou de gouttelettes provenant du brouillard ou des nuages 6, et des cellules photovoltaïques 8 produisant du courant électrique à partir du rayonnement solaire 10. Le ballon 2 comporte différents dispositifs pour transformer et stocker les énergies, permettant d’assurer des flux le long de la liaison 20 avec le sol pour distribuer à des usagers à terre en particulier un courant électrique 12 et un débit d’hydrogène 16. En complément, le ballon 2 peut distribuer aux usagers des flux complémentaires comme un débit d’eau potable 18, d’air frais 14 ou de gaz oxygène. L’hydrogène constituant une source d’énergie par combustion ou oxydation avec l’oxygène de l’air, notamment dans une pile à combustible pour produire de l’électricité, est actuellement obtenu à plus de 95% par des ressources fossiles non renouvelables en émettant des gaz polluants, ce procédé étant donc peu écologique. L’hydrogène peut aussi être obtenu à partir d’une énergie renouvelable, appelé aussi hydrogène vert, notamment par électrolyse de l’eau. L’hydrogène se développe pour la motorisation des véhicules. Il peut aussi être utilisé pour le chauffage de bâtiments résidentiels ou professionnels, avec toutefois des problèmes importants posés par son stockage à cause de la forte pression nécessaire pour limiter le volume des réservoirs, de la perméabilité relative des enveloppes de ces réservoirs, et de sa forte inflammabilité nécessitant des précautions importantes pour éviter des accidents. Le transport et le stockage de l’hydrogène étant difficile, il peut être intéressant de disposer de petites productions continues d’hydrogène réparties sur un territoire, permettant d’alimenter en continu et en proportion des besoins des consommateurs disposés à proximité de ces sources, afin de limiter le stockage et le transport de ce gaz. En particulier, l’aérostat selon l’invention délivrant au sol à la fois une énergie électrique, un débit d’hydrogène, un débit d’oxygène et de l’eau dans des proportions résultant d’une optimisation énergétique de leurs productions et d’un bilan des besoins à terre, donne une flexibilité importante permettant dans toutes les conditions d’obtenir le meilleur rendement. En particulier avec un aérostat en hauteur, si nécessaire au-dessus des nuages, l’électricité et l’hydrogène disponibles tous les jours peuvent être utilisés immédiatement, par exemple pour le chauffage de bâtiments disposés à proximité de la liaison au sol, ou pour le remplissage de batteries ou de réservoirs d’hydrogène de véhicules. La présente le ballon 2 relié à terre par la liaison au sol 20 qui est flexible, comportant un ensemble de liaisons souples comprenant un filin d’ancrage au sol et d’enroulage permettant de réguler la hauteur de l’aérostat, un câble de transmission de l’énergie électrique, des canalisations souples en polymère pour la conduite du gaz hydrogène H 2 , pour la conduite du gaz oxygène O 2 , pour la conduite d’eau liquide H 2 O, pour le passage d’air frais, et si nécessaire des câbles de transmission de signaux utilisant des conducteurs électriques ou des fibres optiques. La liaison au sol 20 peut contenir des cordons extensibles avec des propriétés piezo-électriques apportant aussi une production d’électricité qui est récupérée par élongation de cette liaison déformable. Les différents câbles ou conduits de la liaison au sol 20 partent d’une nacelle 42 disposée sous le ballon, regroupant tous les éléments techniques de fonctionnement de l’aérostat. La nacelle 42 sous le ballon permet, lorsque l’aérostat est redescendu à terre, d’accéder facilement aux éléments techniques pour réaliser des opérations de contrôle ou de maintenance. Le ballon 2 est maintenu à proximité de bâtiments 22 pour recevoir des consignes de pilotage de ce ballon avec ses différentes transformations d’énergie, et pour alimenter ces bâtiments en énergie. Idéalement, ce sont les toitures desdits bâtiments qui seront connectées aux différentes canalisations amenant les énergies souhaitées depuis le ballon 2, lesquelles énergies seront ensuite distribuées à partir des toitures jusqu’aux centres d’alimentation des bâtiments en énergie voulue. Le ballon 2 sensiblement sphérique comporte un volume principal fermé de stockage d’hydrogène 24 occupant une majeure partie de la sphère, disposant d’une membrane suffisamment imperméable à ce gaz, qui assure la sustentation du ballon, et un volume annexe fermé de stockage d’oxygène 26 disposé au-dessus de la moitié supérieure du volume principal d’hydrogène. L’ensemble du ballon 2 est couvert par une membrane extérieure 40 comportant à la fois des films photovoltaïques 8 de production du courant électrique et une surface agissant comme une éponge, qui est hydrophile afin d’absorber l’humidité ambiante sous forme de vapeur ou de gouttelettes, pour restituer une eau liquide qui est stockée dans un réservoir d’eau 28 disposé dans la nacelle 42. Avantageusement, on utilise une membrane extérieure polymère 40 qui peut aussi devenir hydrophobe par un changement d’état, avec une réorganisation de ses molécules suivant l’environnement extérieur. En particulier, on peut utiliser une matrice polymère thermosensible, contenant un hydrogel qui, avec une stimulation par le rayonnement solaire, devient hydrophobe en provoquant une restitution sous forme liquide de l’eau captée dans cette matrice. On alimente ainsi suivant les besoins le réservoir d’eau 28 ou le conduit de distribution d’eau à terre. La production d’électricité par énergie solaire est assurée par des films photovoltaïques organiques souples 8, appliqués en serpentin sur la membrane extérieure du ballon 2, constituant aujourd’hui une troisième génération de cellules photovoltaïques formées avec des films semi-transparents et ultra minces. On obtient une impression et une superposition en fine couche de matériaux semi-conducteurs sur la membrane extérieure 40, celle-ci restant souple, pour suivre les déformations du ballon 2, et présentant une très grande surface bien exposée au rayonnement solaire. De plus, les matériaux semi-conducteurs des cellules photovoltaïques 8 en s’échauffant peuvent agir directement sur la température de la membrane extérieure 40, pour commander directement le changement d’état de cette membrane afin d’assurer son aspect hydrophile de captation d’eau, ou hydrophobe de restitution de cette eau. La membrane extérieure 40 est constituée de polymères souples, résistants aux rayonnements ultraviolets et au feu, comprenant avantageusement des cordons avec des propriétés piézo-électriques afin d’obtenir aussi une production d’électricité par déformation de cette membrane, complétant celle venant des cellules photovoltaïques 8. En particulier, les cordons piézo-électriques faisant partie intégrante de la membrane polymère peuvent être des cordons qui se dilatent et se contractent de manière réversible suivant un coefficient d’allongement allant de 200 à 750%. Un filin fixé à un enrouleur peut gérer la variation d’allongement afin de produire l’énergie électrique. La nacelle 42 comporte un électrolyseur 30 alimenté par le réservoir d’eau 28, avec un apport d’une solution hydrosoluble acide ou basique 38 permettant de conduire le courant entre deux électrodes recevant le courant électrique produit par les films photovoltaïques 8, pour décomposer l’eau en dioxygène et dihydrogène gazeux qui sont stockés dans leurs volumes de stockage respectifs 24, 26. Une pompe 36 permet de réguler la circulation d’eau. En variante, l’électrolyseur 30 peut être du type à membrane à électrolyte polymère, appelée aussi « MEP », permettant des échanges de protons entre deux compartiments recevant chacun une électrode, tout en étant imperméable au passage des gaz. L’électrolyse de l’eau permet d’utiliser un surplus d’électricité produit par les films photovoltaïques 8, afin de transformer cette énergie en hydrogène pouvant être conservé sur place dans le volume de stockage hydrogène 24, en particulier suivant les besoins de sustentation du ballon 2. On envoie à terre les énergies électrique ou hydrogène suivant les demandes pour y répondre. Le surplus d’électricité est converti en gaz hydrogène qui est stocké dans la réserve d’hydrogène. Le gaz hydrogène est transmis à terre par la canalisation de ce gaz intégrée dans la liaison au sol 20, en particulier pour alimenter les bâtiments 22 et réaliser leur chauffage. De même, on peut envoyer à terre un surplus de gaz oxygène par la canalisation de ce gaz intégrée dans la liaison au sol 20. De même pour l’eau récupérée en altitude, qui est purifiée par sa distillation au niveau de la membrane, un surplus de production inutilisé par l’électrolyseur 30 est envoyé au sol par la canalisation de distribution d’eau, afin de servir en particulier d’eau potable dans les bâtiments 22. On peut aussi prélever un air pur en altitude, qui est envoyé à terre par une canalisation intégrée dans la liaison au sol 20 afin de renouveler l’air intérieur dans les bâtiments 22 en utilisant leurs systèmes de ventilation mécanique contrôlée. L’aérostat comporte un système de commande automatisé 32, notamment un ordinateur de bord comprenant un tableau de commande qui met en œuvre un algorithme recevant de nombreuses informations de différents ensembles, pour déterminer les actions à effectuer. En particulier, l’algorithme reçoit les éléments mesurés par les différents sondes et capteurs 34 du ballon 2, comprenant notamment l’altitude, la vitesse du vent, la température, l’ensoleillement, l’hygrométrie et la composition de l’air avec en particulier une mesure des particules fines, des composés organiques, du dioxyde de carbone et de l’azote. L’algorithme connaît aussi en permanence l’état de ses réserves d’énergies et de fluides. L’algorithme assurant le lien entre la demande et l’offre reçoit un ensemble d’éléments comprenant les informations des demandes des bâtiments à terre 22, et des éléments anticipés par l’analyse des besoins énergétiques passés relatifs à la consommation des usagers. Il reçoit aussi des éléments déduits, comprenant les moyens nécessaires pour satisfaire la demande, en particulier par transformation d’énergie, ou simple utilisation des stocks d’énergies disponibles. L’algorithme est connecté aux stations météorologiques proches, afin d’anticiper les niveaux de précipitation et d’ensoleillement à venir. L’algorithme est l’exécutif utilisant une matrice de conversion, moyen de régularisation entre l’offre et la demande pour gérer les productions et transformations des énergies (électricité, gaz hydrogène, gaz oxygène, eau et chaleur) et calculer en permanence l’altitude de l’aérostat. Il croise et compile de manière continue les données afin d’arbitrer les choix et les orientations stratégiques. L’aérostat selon l’invention nécessitant une très faible surface au sol, est particulièrement destiné aux environnements urbains denses et aux grandes villes plus polluées. Il peut aussi convenir pour des constructions anciennes avec une forte valeur architecturale, historique ou financière, mais présentant paradoxalement un bilan énergétique médiocre avec des fortes déperditions d’énergie et des difficultés d’adaptation aux technologies modernes de préservation de l’énergie. L’aérostat est particulièrement adapté à une fabrication industrielle en série pour réduire les coûts de fabrication, notamment ceux de ses éléments fortement techniques comme la membrane extérieure. Aérostat captif autonome comportant un volume fermé de réserve d’hydrogène (24) assurant la sustentation, une membrane extérieure (40) équipée de cellules photovoltaïques (8) de réception du rayonnement solaire, et une liaison au sol (20) comprenant un câble de transmission de l’énergie électrique produite par les cellules, caractérisé en ce qu’il comporte des moyens permettant de convertir l’hydrogène produit vers d’autres énergies choisies parmi l’eau, l’oxygène, la chaleur et l’électricité, lesdits moyens comprenant des dispositifs de captation d’eau ou de vapeur d’eau (4) contenues dans l’atmosphère, un électrolyseur (30) de l’eau recueillie dégageant du gaz hydrogène utilisé pour alimenter le volume de réserve d’hydrogène (24), et un conduit d’hydrogène contenu dans la liaison au sol (20), pour distribuer ce gaz hydrogène à terre, ainsi que des conduits permettant chacun de distribuer à terre au moins une autre des énergies converties. Aérostat captif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu’il comporte un volume fermé de stockage de gaz oxygène (26). Aérostat captif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la liaison au sol (20) comporte un conduit d’oxygène permettant de distribuer le gaz oxygène à terre. Aérostat captif selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la liaison au sol (20) comporte un conduit de descente d’eau ou de descente d’air prélevés dans l’atmosphère. Aérostat captif selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la membrane extérieure (40) comporte des dispositifs de captation d’eau ou d’humidité dans l’air (4). Aérostat captif selon la revendication 5, caractérisé en ce que les dispositifs de captation d’eau ou d’humidité dans l’air (4) comportent une matrice polymère qui peut devenir hydrophile ou hydrophobe par un changement d’état, avec une réorganisation de ses molécules suivant l’environnement extérieur. Aérostat captif selon la revendication 6, caractérisé en ce que la matrice polymère est thermosensible et contient un hydrogel qui avec une stimulation devient hydrophobe en provoquant une restitution sous forme liquide de l’eau captée dans cette matrice. Aérostat captif selon l’une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que la membrane extérieure (40) comporte des films photovoltaïques organiques souples (8) permettant de suivre les déformations du ballon (2). Aérostat captif selon l’une quelconque des revendications 5 à 8, caractérisé en ce que la membrane extérieure (40) ou la liaison au sol (20) comporte des cordons avec des propriétés piézo-électriques, qui s’étirent ou se contractent suivant les déformations du ballon (2) ou l’allongement de ladite liaison (20) en réalisant une production d’électricité. Aérostat captif selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comporte un système de commande automatisé (32) mettant en œuvre un algorithme qui arbitre des choix afin de satisfaire la demande en énergies, mettant en œuvre une matrice de conversion de la production et de la transformation des énergies. Aérostat captif selon la revendication 10, caractérisé en ce que l’algorithme comporte des dispositifs de réception de données venant de stations météorologiques. Aérostat captif selon la revendication 10 ou 11, caractérisé en ce que l’algorithme comporte des dispositifs de réception d’éléments mesurés par des sondes et capteurs (34) du ballon (2), comprenant l’altitude, la vitesse du vent, la température, l’ensoleillement, l’hygrométrie, la composition de l’air avec une mesure des particules fines, des composés organiques, du dioxyde de carbone et de l’azote, et l’état de ses réserves d’énergies et de fluides. Aérostat captif selon l’une quelconque des revendications 10 à 12, caractérisé en ce que l’algorithme comporte des dispositifs de réception d’éléments comprenant les informations des demandes des bâtiments à terre (22), d’éléments anticipés par l’analyse des besoins énergétiques passés relatifs à la consommation des usagers, et d’éléments déduits comprenant les moyens nécessaires pour satisfaire la demande à venir, par transformation d’énergie ou par utilisation des stocks d’énergies disponibles. .