FR 2908380 A1 20080516 FR 0609784 A 20061109 -~- 1 La présente invention complète le brevet enregistré auprès de l'INPI sous la référence : 0304616 (n de publication 2 853 618) et auprès de l'Office Européen des Brevets sous la référence WO 2004/092006 PCT/FR2004/000900. Le numéro de publication européenne est 1648761. Ce brevet déposé le 14/04/2003, dénommé Station autonome sous-marine revendique une structure creuse caractérisée en ce qu'elle fonctionne dans son entier comme un système complexe de ballasts conçu pour annuler, par le jeu constant de volumes d'eau embarquée et évacuée, sa masse propre el: celle de ses équipements opérationnels en milieux liquide. Il en revendique aussi les conséquences techniques de dimensionnement possibles et d'embarquement de moyens d'autonomie énergétique et opérationnelle, conséquences directes du concept de structure creuse automatisée. Ce premier brevet se basait sur l'état de lai technique des moyens physiques (ROV, AUV) d'intervention profonde, et prétendait apporter une capacité nouvelle d'embarquement et 15 d'intervention de dimensions industrielles et autonomes. La présente demande de brevet se base sur I état de la technique des moyens énergétiques anaérobies sous marins. Tous les modèles de piles à combustibles embarqués nécessitent une installation complexe de stockage des carburants, internes ou externes à la coque 20 principale, avec pour conséquences un volume plus ou moins limité de carburant embarqué. L'utilité de la présente invention dite Structure Dynamique Autonome sous marine tient au fait que de nombreuses opérations en mer, industrielles ou scientifiques, menées depuis la surface, sont perturbées par la houle et les intempéries, doivent déployer de coûteux moyens techniques pour agir en profondeur où elles restent très limitées tant techniquement 25 qu'en durée. Les moyens d'autonomie énergétiques embarqués restent limités, et les liaisons dites ombilics limitent à la fois l'autonomie de mouvement et de profondeur, tout en nécessitant une présence de moyens techniques non négligeable en surface. En général, les travaux ou interventions sous marins se font depuis des bâtiments de 30 surface, mobiles ou fixes, flottants ou fondés, ou bien par l'intervention en profondeur de robots. La première situation rencontre les difficultés susdites d'intempéries et de distance au fond, la seconde est très limitée par les conditions extrêmes de la grande profondeur (pression, éloignement physique, sources d'énergie embarquées, difficultés de transmissions) et par 351es masses embarquées limitées ne permettant que des tâches spécifiques et courtes. Par ailleurs, tous les équipements de fonds marins ou installations profondes sont en général perdus après utilisation ou défectuosité. La remontée autonome d'un ou plusieurs modules 2908380 -2 lourds constituant une installation industrielle profonde pourrait remédier à ces inconvénients coûteux, aussi bien que permettre leur recharge énergétique, le remplacement ou le ré-approvisionnement de matériels opérationnels, la récupération de matières ou éléments lourds, etc.. La présente invention propose de remédier à ces conditions par une solution de production énergétique embarquée sans installation cle stockage de carburant, pour une autonomie largement accrue, et une capacité d'embarquement et d'intervention à l'échelle de la structure dynamique autonome , ceci dans toutes les formes d'activité. Le dispositif selon l'invention présente constitue un principe de structure sous marine, dite Structure Dynamique Autonome sous marine , caractérisé en ce qu'il est conçu pour produire, grâce à la contenance de l'ensemble de ses volumes internes et à des technologies existantes complémentaires, adaptées au dispositif, ses moyens propres d'autonomie en termes d'énergie, de mobilité, de communication et d'intervention sous marine. Le principe de la Structure Dynamique Autonome vise à remédier aux inconvénients précédemment cités. Elle présente, par rapport au précédent brevet, une conception utilisant la structure même comme source d'énergie, en lieu et place des batteries embarquées dans la version première. 20 Le dispositif, selon l'invention, est caractérisé en ce que la structure est constituée - de corps rigides tubulaires de diamètres importants, pouvant être doublés à l'intérieur, de sphères juxtaposées dont les volumes peuvent être communicants, et participant à la résistance aux pressions extérieures et intérieures(Fig. 2 et 3 planche 2/11). 25 - de corps rigides tubulaires de diamètres importants, doublés à l'intérieur de réservoirs souples (S), de forme et de volume équivalents, reliés par des pompes (P) à l'extérieur au travers des corps rigides tubulaires. - De corps secondaires dits de liaisons , étanches, permettant le cheminement des réseaux et équipements divers dans toutes les parties de la structure. 30 - De structures secondaires ou ponts destinés à recevoir l'installation des équipements opérationnels tel que derrick, unité de traitement chimique ou mécanique, réservoirs, etc.. - D'équipements divers de propulsion (T), de programmation, de contrôle-commande, de communication / transmission fonds/surface, de navigation, d'ancrage, etc.... 35 Le dispositif, selon l'invention, est caractérisé en ce que la construction de ladite structure peut se concevoir en toutes formes et dimensions, n'ayant pour limites de construction que 1 5 1 C) 2908380 -- 1 les capacités des technologies actuelles et à venir de construction navale sous marine. La résistance des matériaux employés, la résistance des structures et de leurs volumes aux contraintes du contexte sous marin donnerons: en termes de dimension les limites physiques de ce concept. 5 Le dispositif selon l'invention de Structure Dynamique Autonome Sous-marine , est caractérisé en ce qu' il est proportionné, quelle que soit sa forme et ses dimensions, pour pouvoir contenir à l'intérieur de ses éléments géométriques étanches, propres à résister aux pressions extérieures et intérieures, adaptés à sa masse et à sa construction générale, 10 autant de volumes de gaz et d'eau en compartiments séparés dans le but de compenser en positif comme en négatif dans l'élément liquide dans lequel il évolue, l'ensemble des masses impliquées, propres et acquises. Le dispositif, selon l'invention, est caractérisé en ce que les volumes ainsi créés à l'intérieur 15 même de la structure sont calculés de manière à pouvoir, d'une part compenser la masse globale dudit dispositif et de ses équipements, les forces dynamiques provoquées par son action opérationnelle ainsi que les diverses possibilités de variation de charges, d'autre part embarquer suffisamment de gaz (G) pour subvenir à toutes les fonctions prévues de ceux-ci. Le dispositif, selon l'invention, est caractérisé en ce que l'ensemble de cette structure, faite de corps creux tubulaires et si nécessaires sphériques, peut être construit dans sa forme et dans sa taille en fonction des usages auxquels on le destine, dans le but de pouvoir embarquer tous les équipements nécessaires et répondre aux particularités de tous types de missions ou de fonctions : L'échelle de sa conception impliquant sa capacité de contenance, et donc de compensation de masse et son autonomie, il peut être conçu comme un drone naviguant sous la surface des océans, ou comme un module de chantier industriel pour grandes profondeurs, ou toute forme intermédiaire, tel que la version dite Double module grandes profondeurs (planche 4/11) destinée à se placer de part et d'autre d'un container opérationnel au moyen de rampes électromagnétiques (E), afin de placer celui-ci sur les fonds marins puis de l'y récupérer. Tous les corps creux tubulaires constituant la structure sont reliés entre eux par des éléments rigides secondaires permettant de faire cheminer en situation étanche et résistant aux pressions extérieures tous les faisceaux électriques, informatiques et tous les conduits de fluides, tel que l'eau et le gaz, nécessaires au fonctionnement de la structure. 2908380 4 1 Certains tronçons des corps tubulaires constituant la structure sont aménagés de même pour contenir les équipements fonctionnels de la structure, comme la centrale énergétique (FC), le central informatique, et tous éléments complémentaires. 5 Le dispositif, selon l'invention, est caractérisé en ce que les grandes capacités d'échange constant assisté par le système intégré de programmation, de calcul informatique et capteurs associés, des volumes de gaz et d'eau dimensionnés à cette fin et embarqués séparément dans les parties tubulaires, permet un contrôle et une maîtrise continus de toutes les données en constante variation appliquées au dispositif. Le dispositif en tire un potentiel de 10stabilisation, de travail, de charge embarquée et d'autonomie très importants. Le dispositif selon l'invention, est caractérisé en ce que le principe d'échange Eau/gaz fonctionne toujours selon les mêmes procéclures tel que l'eau est soit évacuée de ses compartiments vers l'extérieur par des pompes haute pression, soit reprise de l'extérieur par 15d'autres pompes et introduite à une pression de 1 bar, cependant que les gaz, eux, ne sont jamais évacués de la structure, mais passent d'un compartiment sous pression (variable) à un compartiment en pression atmosphérique, en remplacement du même volume d'eau évacué. 20 Le dispositif, selon l'invention, d'échange Eau/Gaz à l'intérieur des volumes tubulaires de la structure ( planche 1/11) est caractérisé en ce que tous les compartiments internes souples contenant l'eau (S), en se vidant vers l'extérieur, laissent dans leur compartiment rigide des volumes libres occupés alors par le gaz venant des compartiments contenant du gaz (G) sous pression. 25 Les compartiments internes souples (S) sons: reliés à l'extérieur au travers de la structure rigide par les conduits entrants et sortants des pompes (P) fixées sur ladite structure. Le dispositif, selon l'invention, est caractériisé en ce que les volumes d'eau, exclusivement contenus à l'intérieur de réservoirs souples (S) contenus eux-même à l'intérieur de 30compartiments tubulaires rigides, sont dimensionnés, d'une part pour pouvoir lester l'ensemble de la structure en phase de descente ou stationnaire, ou pour compenser (remplissage) en cours d'opération la libération d'une charge embarquée, et d'autre part pour alléger la structure en phase de remontée ou pour compenser (expulsion) l'embarquement d'une charge sous l'eau en cours d'opération. 35 Le dispositif, selon l'invention, est caractérisé en ce que un ou plusieurs compartiments étanches de la structure ( Planche 3/11) renferment les éléments constitutifs d'une ou 2908380 1 plusieurs piles à combustible (FC) tel que du type PEMFC, c'est à dire anode, cathode, membrane d'électrolyte et tous éléments complémentaires, directement alimentés en gaz tel que oxygène (02) et hydrogène (H2) depuis les compartiments constitutifs de la structure contenant ces gaz ( G1, G2, G3). 5 Le dispositif, selon l'invention, est caractérisé en ce que les volumes de gaz ne sont pas stockés dans une installation propre de combustibles et en tant quel tel, mais contenus dans les compartiments rigides et sous pression constitutifs de toute une partie de la structure, et ont trois fonctions essentielles : 10 -- Première fonction des volumes de gaz contenus dans une partie de la structure : ces volumes sous pression dans leurs compartiments de stockage (G), sont destinés pour tout ou partie à remplacer à l'intérieur de compartiments rigides, après avoir été détendus à une pression de 1 bar, les volumes d'eau expulsés de réservoirs souples (S). Lors de la reprise éventuelle en amer de ces volumes d'eau, le gaz est comprimé 15 et renvoyé dans son compartiment d'origine, à la pression initiale. Cet échange constant, assisté par ordinateur embarqué, relié à une centrale inertielle ainsi qu'à la programmation opérationnelle, permet de garantir une stabilité et un contrôle de la structure avec un minimum de dépense énergétique (pompes, vannes et compresseurs) quelque soit la taille de l'ensemble, et particulièrement pour les 20 constructions de grande taille. II permet de compenser en positif ou en négatif et de façon constante les masses embarquées ou débarquées, les énergies dynamiques consécutives aux tâches effectuées ou aux courants marins. Il permet encore la remontée autonome d'installations profondes lourdes ( Planches 7 et 10) par préemption magnétique (E) puis expulsion des volumes d'eau. 25 - Deuxième fonction des volumes de gaz contenus dans une partie de la structure : ces volumes, pour une part limitée, servent à faire fonctionner des équipements spécifiques à air comprimé , tell qu'un système d'ancrage pneumatique et à libération électromagnétique automatique, des systèmes de bouées techniques et de 30 transmission automatisés (B) récupérables et re-largables permettant à toutes profondeurs les liaisons avec la surface, des outils et équipements opérationnels divers. - Troisième fonction des volumes de gaz contenus dans la structure : ces volumes, 35 pour tout ou partie, se composent de deux gaz différents combustibles par le principe de la pile à combustibles, tel que Hydrogène (H2) et Oxygène (02) comprimés à l'intérieur de compartiments différents. Au moins deux de ces compartiments, 2908380 -6- 1 contenant chacun un gaz, sont séparés par les éléments d'une pile à combustible, soit l'ensemble Anode/Cathode et membrane classique des piles à combustibles dénommées PEMFC. Plusieurs éléments tubulaires constituant la structure elle-même et contenant ces gaz (G) sous pression sont soit reliés de manière à alimenter 5 la pile à combustible PEMFC, afin de produire la puissance électrique nécessaire au type de l'engin projeté, soit équipés du même système. Le principe de pile à combustible, et en particulier la surface d'échange sont donc dimensionnées à l'échelle de la structure, et peut contenir de grandes quantités de gaz H2 et 02, donnant à l'ensemble une autonomie énergétique considérable, sans installation 10 spécifique de stockage à carburants. Ces trois fonctions remplies par les gaz contenus sous pression à l'intérieur même de la structure, justifient la dénomination de Structure Dynamique Autonome en milieu sous marin. 15 Le principe, selon l'invention, est caractérisé en ce qu'à l'échelle des dimensions générales de la structure, l'ensemble fonctionne comme une installation avec (planches 6/11, 7/11) ou sans ( planches 1/11, 4/11, 5/11) coque, maîtrisant sa propre apesanteur par un jeu constant de volumes d'eau et de gaz, fonctionne comme un réservoir de gaz alimentant divers outils à air comprimé, et fonctionne enfin comme une pile à combustible dite 20 PEIVIFC , alimentant outre ses équipements de base, les équipements opérationnels embarqués. Le principe, selon l'invention, est caractérisé en ce que l'énergie électrique fournie par la structure dynamique autonome en qualité de pile à combustible, est proportionnelle à 25 l'importance de la structure, fonctionne en anaérobie dit AIP et ne nécessite aucune autre source d'énergie. Les équipements de base sont fonction du type de mission prévue pour la structure mise à l'eau. Ils sont modifiables dans la mesure des caractéristiques calculées lors de la 30 conception de la structure. Ces équipements comportent divers propulseurs électriques sous marins, divers compresseurs, électrovannes e1 pompes, ainsi qu'une centrale informatique, et tous matériels d'asservissement et de contrôle du système complexe d'échange des volumes embarqués de gaz et d'eau. Ils comportent aussi des systèmes d'encrage à libération automatique, des systèmes auto-récupérables et réutilisables de liaison à la 35surface, des moyens d'éclairage et de vidéo, des systèmes de sécurité et de détection, et tous équipements utiles à une navigation autonome et/ou assistée. 2908380 7 1 Le dispositif selon l'invention est caractérisé en ce qu'il est équipé d'une part d'une console (K) comprenant un écran tactile et un pupitre étanche permettant de gérer manuellement toutes les fonctions de la structure par un plongeur, et d'autre part d'une ou plusieurs bouées de surface (B), dites bouées techniques (planche 8111), constituées d'une partie 5 technique (ER) et d'une partie gonflable (B), équipées d'un système automatique de dégonflement contrôlé, total ou partiel, soit pour redescendre sur son enrouleur embarqué synchronisé, soit pour régler sa position en surface. Ces bouées sont larguées et ramenées à volonté par le dispositif lui-même, selon programmation, après dégonflement contrôlé commandé depuis la structure porteuse, et 10 ramenées au moyen d'un lien matérialisé par une gaine (0) souple de grande résistance enfermant un faisceau de fibres optiques engagés sur un enrouleur embarqué et synchronisé. Elles sont logées dans des compartiments spécifiques de la structure, d'où elles restituent et reçoivent leurs données au (du) central informatique de la structure, et sont rechargées en gaz sous pression (G). Ces bouées embarquées, pouvant être équipées de 15 toutes les technologies utiles, permettent toutes les formes de transmissions avec les systèmes aériens et peuvent être larguées depuis toutes les profondeurs. Leur système embarqué de réglage à la surface, muni d'un flotteur (F) agissant sur une bombonne de gaz sous pression (G) modifie la pression à l'intérieur de la bouée (B), selon que le flotteur est hors ou dans l'eau, permettant à celle-ci de ne laisser apparaître à la surface de l'eau qu'une 20 antenne (A), ou au contraire d'autres moyens de transmission, de réception ou de vision, contenus dans la partie technique (ER). Les équipements opérationnels embarqués (outils et équipements divers) sont adaptés à cette nouvelle position de travail autonome sous marin tel que le séparateur eau 1 25 hydrocarbures revendiqué dans le brevet précédent cité, et alimentés en énergie soit par gaz comprimés, soit par électricité produite par la structure même. Sans autres limites de poids ou d'encombrement que n'en imposent l'échelle de la structure et ses potentiels de compensation de masse, ils sont installés sur les différentes surfaces ou ponts prévus dans la conception initiale de la structure. 30 Ces équipements peuvent être de toutes natures tel que des systèmes de stockage, fixes ou mobiles, des automatismes ou robots divers, des armements, des équipements scientifiques et de laboratoire autonome, des systèmes industriels de forage, d'extraction, de captage, ou de récupération, ainsi que tout autres équipements adaptés. En principe, tous ces équipements opérationnels sont interchangeables. 35 Le dispositif, selon l'invention est caractérisé en ce qu'il comporte en équipement opérationnel, quand il est destiné au captage plus ou moins profond, stockage et livraison en 2908380 -8•• 1 surface de matières de masse volumique inférieure à celle du milieu marin, un module de séparation eau / hydrocarbures et traitement de liquéfaction, un chargement de conteneurs souples de grande contenance unitaire ( Fig. '15, planche 11/11) du type ballons, servi par des automatismes de remplissage et de largage synchronisés, associés aux systèmes 5 embarqués de captages adaptés. Ces opérations de captage, traitement, stockage et largage de masses importantes depuis toutes profondeurs provoquant d'importantes variations de masse et de dynamique du dispositif, sont compensées par le travail constant de l'ensemble de la structure. 10 Le dispositif, selon l'invention est caractérisé en ce que ses équipements et caractéristiques combinés, cités plus haut, permettent à toute installation sous marine embarquée de se tenir à une altitude donnée, de tenir une position sous marine fixe ou mobile programmée ou transmise en temps réel, d'acquérir en toute circonstance les meilleures positions de travail ainsi qu'une autonomie d'action sur les fonds marins, en pleine eau ou en sous face des 15 océans dans tous les domaines d'activité marine. Positionnement Tous les technologies applicables aux drones et aux techniques sous marines de repérage et de transmission sont susceptibles d'être applicables au dispositif, qui comporte un 20 système propre rétractable et autonome de liaison à la surface( Fig. 12 planche 8/11). Un positionnement fixe ou un itinéraire peuvent être obtenus par le largage d'une ou plusieurs balises émettrices posées sur les fonds marins et sur le signal desquelles la structure règle constamment sa position. 25 Ancrages La station, de par ses équipements embarqués tel que sonars, GPS, radars, bouées de surface etc., se maintient par ses propres moyens sur un positionnement programmé, que ce soit par rapport aux fonds, en pleine eau ou par rapport à la surface. Les ancrages, lorsqu'ils sont jugés nécessaires, peuvent utiliser divers moyens en fonction de la mission, soit par le 30 largage de blocs embarqués reliés par un filiin, récupérables et réutilisables ou non, soit par un système embarqué de pieux à enfoncement pneumatique et à libération électromagnétique. Propulsion 35 Des turbines soit électriques soit électromagnétiques équipent selon les besoins l'ensemble de la structure en fonction de sa forme, de sa taille et de ses missions. Elles sont alimentées par les ressources énergétiques propres de la structure. 2908380 - REVENDICATIONS 1. Structure dynamique autonome sous marine, conçue pour pouvoir compenser en positif ou en négatif toutes les masses la constituant, et embarquées ou acquises, et pouvant produire ses propres sources énergétiques en totale autonomie à toutes profondeurs, caractérisée en ce qu'elle comporte - une structure principale constituée de corps creux dont les volumes en totalité utiles contiennent d'une part, en réservoirs souples de doublage (S), de l'eau de mer, d'autre part des gaz sous pression (G, G1, G2, G3) en grandes quantités utilisés en trois fonctions distinctes tel que l'alimentation en oxygène 02 (G2) et hydrogène H2 (G1) d'un ou plusieurs modules générateurs de courant électrique (FC) sur la base de la pile à combustible PEMFC - la compensation de la masse globale en positif ou négatif pour l'ensemble du dispositif et pour ses charges acquises ou larguées en remplaçant les volumes d'eau de mer embarqués - l'alimentation en gaz pour des équipements embarqués dits fonctionnant à air comprimé -un ou plusieurs modules dits pile à combustible PEMFC ou équivalent générateurs de puissance électrique par anode et cathode et membrane électrolyte insérés (FC) dans les tronçons de la structure même et alimentés en combustibles gazeux par les volumes contenants de !a structure 25 - un système autonome embarqué de bouée technique et de transmissions de surface (B), largable et récupérable depuis toutes les profondeurs un système autonome d'ancrage libérable et réutilisable faisant de l'ensemble un drone sous marin de grande autonomie réalisable en toutes tailles et sous toutes les formes pour toutes fonctions. 2) Structure dynamique autonome sous marine, selon la revendication 1, caractérisée en ce que le système énergétique anaérobie dit AIP embarqué (FC) sous forme de modules dits pile à combustible PEMFC ou similaire, c'est à dire anode, cathode, membrane d'électrolyte et tous éléments complémentaires inclus dans la 10 15 20 30 35 2908380 -12- 1 structure, ne nécessite aucun système propre de stockage de combustibles sous aucune forme, la structure elle-même remplissant entre autres cette fonction. 3) Structure dynamique autonome sous marine, selon les revendications 1 et 2, 5 caractérisée en ce qu'elle peut être construite sous n'importe quelle forme et échelle tout en conservant les même caractéristiques de compensation de masse et de production énergétique 4) Structure dynamique autonome sous marine, selon les revendications 1, 2 et 3, caractérisée en ce qu'elle est équipée selon les versions d'un système opérationnel automatisé de réservoirs externes souples de stockage (8) en grande quantité, largables(4) et de grande capacité unitaire. 5) Structure dynamique autonome sous marine, selon la revendication 1, caractérisée en ce que le système de liaison à la surface par bouées techniques et ombilic en fibre optique est totalement géré depuis ladite structure, non seulement en flottabilité mais aussi en ce qui concerne les fonctions de réception et de transmission, et est largué et récupéré à volonté par gonflement / dégonflement contrôlé et par enrouleur embarqué synchronisé. 25 30 35