FR3053022A1 - Banc de charge hybride - Google Patents
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Abstract
L'invention a notamment pour objet un navire comprenant au moins un moteur thermique (1) configuré pour fonctionner à un régime compris entre 0,75 et 1,25 fois un régime donné et pour être soumis à une charge variable, caractérisé en ce qu'il comprend un banc de charge (2) connecté au moteur thermique (1) et configuré pour maintenir la charge du moteur thermique (1) au moins à une charge seuil prédéterminée pour le régime donné, la différence entre une charge effective du moteur thermique (1) et la charge seuil prédéterminée correspond à une puissance excédentaire produite en sortie du moteur thermique (1), et en ce que ledit banc de charge (2) comprend au moins un électrolyseur (3) couplé au moteur thermique (1), au moins une pile à combustible (5) et au moins un dispositif de stockage de dihydrogène (H2), ledit banc de charge (2) étant configuré de manière à ce que l'électrolyseur (3) reçoive la puissance excédentaire produite en sortie du moteur thermique (1) afin de produire du dihydrogène (H2) et de fournir le dihydrogène à la pile à combustible (5) ou au dispositif de stockage de dihydrogène.
Description
DOMAINE DE L’INVENTION
La présente invention est relative notamment à un banc de charge pour moteur thermique.
Une application préférée concerne l’industrie maritime et plus spécifiquement les navires fonctionnant avec des moteurs diesels.
ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE
Les moteurs thermiques sont très largement utilisés de nos jours pour propulser un véhicule et/ou produire de l’électricité. L’avantage des moteurs thermiques est notamment un coût d’utilisation faible par rapport à l’énergie produite par la combustion d’un carburant. De plus, la chaîne d’approvisionnement est très développée ce qui facilite son utilisation massive. Plusieurs carburants peuvent être utilisés pour l’utilisation d’un moteur thermique. Classiquement, ces carburants sont de l’essence ou du diesel.
Dans le domaine de la marine, les moteurs thermiques fonctionnant au carburant diesel sont privilégiés. En effet, plusieurs avantages comme notamment une meilleure sécurité à bord (le diesel est moins volatile et ne provoque pas de danger d’explosion en cas de fuite), une consommation de carburant réduite (et donc une autonomie plus grande), la mécanique d’un moteur diesel est plus robuste ce qui facilité l’entretien et la fiabilité, il fonctionne à des régimes constant pendant de longues durées (idéal pour les croisières) et surtout il est moins sensible à l’humidité. Néanmoins ces moteurs ont un inconvénient majeur. En fonction des utilisations de ces moteurs thermique une mauvaise combustion du carburant peut apparaître. Cela entraîne une émission de particules fines plus importantes et un encrassement du moteur thermique. De plus si un turbo est connecté au moteur et/ou un filtre à particules, les effets négatifs de cet encrassement sont multipliés et le changement de pièces doit être réalisé prématurément.
De nombreuses solutions ont été envisagées pour limiter cet inconvénient.
Ces solutions reposent généralement sur une optimisation de l’injection du carburant en fonction de l’utilisation. Ces solutions ne sont pas totalement satisfaisantes. L’invention a pour objectif de réduire, voire de résoudre tout ou partie des inconvénients des techniques actuelles.
RESUME DE L’INVENTION
Pour atteindre un objectif, un aspect de l’invention concerne en particulier un navire comprenant au moins un moteur thermique configuré pour fonctionner à un régime compris entre 0,75 et 1,25 fois un régime donné
De façon avantageuse, le navire de la présente invention est tel qu’il comprend un banc de charge connecté au moteur thermique et configuré pour maintenir la charge imposée au moteur thermique au moins au niveau d’une charge seuil prédéterminée pour le régime donné, le rendement du moteur thermique étant supérieur ou égal à 50% de son rendement maximal lorsqu’il est soumis à cette charge seuil prédéterminée, une charge effective étant une charge appliquée au moteur thermique et ne comprenant pas la charge provenant du banc de charge, la charge effective varie au cours du temps, lorsque la charge effective est inférieure à la charge seuil prédéterminée, alors la différence entre la charge imposée au moteur thermique et la charge effective prédéterminée correspond à une puissance excédentaire produite en sortie du moteur thermique, et en ce que ledit banc de charge comprend au moins un électrolyseur connecté au moteur thermique, au moins une pile à combustible et au moins un dispositif de stockage de dihydrogène (H2), ledit banc de charge étant configuré de manière à ce que l’électrolyseur reçoive la puissance excédentaire produite en sortie du moteur thermique afin de produire du dihydrogène (H2) et de fournir le dihydrogène à la pile à combustible ou au dispositif de stockage de dihydrogène.
Cette disposition permet au moteur thermique d’être soumis à une charge en permanence ou la plupart du temps supérieure ou égale à la charge seuil prédéterminée, ce qui permet notamment d’avoir une température de combustion du carburant toujours plus élevée. De plus la puissance excédentaire produite par cette consommation supplémentaire lors des phases où la charge du moteur thermique devrait être plus faible, est stockée de manière propre afin de réutiliser ladite puissance excédentaire plus tard. Ainsi, en cas d’augmentation de la charge sur le moteur thermique au-delà de la charge seuil prédéterminée, ledit moteur thermique continue de fonctionner à la charge seuil prédéterminée et l’énergie nécessaire au fonctionnement de la charge excédentaire est fournie par la pile à combustible. Cette caractéristique permet d’avoir un moteur soumis globalement à une charge constante supérieure à la charge seuil prédéterminée, permettant de limiter l’encrassement du moteur et l’émission de particules fines. Au final, l’invention permet d’améliorer l’entretien et la durée de vie du moteur thermique tout en augmentant son rendement sur une période comprenant des variations de charges. Enfin, la puissance excédentaire produite est stockée proprement avec une déperdition minimale due au changement d’état de l’énergie.
Suivant une possibilité, le dispositif de stockage du dihydrogène comprend un réservoir d’eau configuré pour recueillir un rejet en eau (H20) de la pile à combustible et pour alimenter l’électrolyseur en eau.
La récupération de l’eau en sortie de la pile à hydrogène est une solution particulièrement avantageuse. En effet, cela permet au banc de charge de fonctionner quasiment en circuit fermé (seul l’oxygène peut être ajouté à partir de l’air ambiant). De plus, l’eau produite par une pile à hydrogène est une eau parfaitement pure. De ce fait, le rendement de l’électrolyseur, alimenté par cette eau, en est augmenté, ce qui améliore le rendement du stockage de la puissance excédentaire sous forme d’hydrogène. L’invention est aussi relative à un procédé d’utilisation du banc de charge ayant pour fonction de stocker la puissance excédentaire produite par le moteur thermique d’un navire, le procédé comprenant les étapes suivantes effectuées en réponse à une baisse de la consommation énergétique du navire entraînant une baisse de la de charge effective du moteur thermique à un niveau inférieure à la charge seuil prédéterminée, - Activation de l’électrolyseur afin d’augmenter la charge du moteur thermique de manière à ce que la charge du moteur thermique soit au moins égale à la charge seuil prédéterminée,
Production par l’électrolyseur de dihydrogène à partir d’eau issue d’un réservoir d’eau grâce à la puissance excédentaire produite par le moteur thermique,
Stockage du dihydrogène produit par l’électrolyseur dans un réservoir de dihydrogène.
Ce procédé avantageux permet au banc de charge de maintenir la charge du moteur thermique à un niveau au moins égale à la charge seuil prédéterminée. Ainsi, l’encrassement et la pollution du moteur thermique diminuent et son rendement augmente. Ce procédé stocke la puissance excédentaire sous la forme de dihydrogène. L’invention est aussi relative à un procédé d’utilisation du banc de charge ayant pour fonction la restitution de de la puissance excédentaire par un navire, le procédé comprenant les étapes suivantes effectuées en réponse à une augmentation de la consommation énergétique hors utilisation du banc de charge au-delà de la charge seuil prédéterminée :
Maintien de la charge du moteur thermique au niveau de la charge seuil prédéterminée, - Activation de la pile à combustible consommant du dihydrogène provenant d’un dispositif de stockage de manière à produire un courant électrique et de l’eau,
Stockage dans un réservoir d’eau de l’eau produite par la pile à combustible,
Utilisation du courant électrique produit par la pile à combustible par le navire pour répondre à l’augmentation de la consommation énergétique du navire.
Ce procédé permet avantageusement d’alimenter le bord et/ou les moyens de propulsion (propulseur) du navire avec la puissance excédentaire stockée sous la forme de dihydrogène. Cette caractéristique avantageuse permet notamment de limiter au maximum les pertes d’énergies excédentaires produites par le moteur thermique.
BREVE INTRODUCTION DES FIGURES D’autres caractéristiques, buts et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit, et en regard des dessins annexés donnés à titre d’exemples non limitatifs et sur lesquels : - La figure 1 montre un schéma d’une réalisation non limitative du fonctionnement de l’invention, notamment la position relative des différents éléments de l’invention ainsi que le sens des flux ; - la figure 2 montre un navire selon l’invention équipé d’un banc de charge.
Les dessins sont donnés à titre d'exemples et ne sont pas limitatifs de l’invention. Ils constituent des représentations schématiques de principe destinées à faciliter la compréhension de l’invention et ne sont pas nécessairement à l'échelle des applications pratiques. En particulier les dimensions relatives des différents éléments et dispositifs ne sont pas représentatifs de la réalité.
DESCRIPTION DETAILLEE
Avant d’entrer dans le détail de formes préférées de réalisation de l’invention en référence aux dessins notamment, d’autres caractéristiques optionnelles de l’invention, qui peuvent être mises en œuvre de façon combinée selon toutes combinaisons ou de manière alternative, sont indiquées ci-après : le dispositif de stockage du dihydrogène comprend un réservoir d’eau configuré pour recueillir un rejet en eau (H20) de la pile à combustible et pour alimenter l’électrolyseur en eau. lorsque la charge effective est inférieure à la charge seuil prédéterminée, alors la différence entre la charge imposée au moteur thermique et la charge effective prédéterminée induit, ou est fonction de, une puissance excédentaire produite en sortie du moteur thermique. - l’électrolyseur est configuré pour produire du dihydrogène à une pression supérieure ou égale à 150 bars (150.105 Pa) et de préférence comprise entre 150 et 400 bars. le banc de charge comprend au moins un réservoir de dihydrogène comprenant des fibres composites et configuré pour stocker le dihydrogène produit par l’électrolyseur à une pression comprise entre 150 et 400 bars, le réservoir de dihydrogène comprend un système de dégazage du dihydrogène. - la charge seuil prédéterminée est comprise entre 0,4 et 0,6 fois et de préférence égale à 0,5 fois une charge maximale du moteur thermique à un régime donné.
La charge maximale est une charge prédéterminée pour un régime donné, la pile à combustible est configurée pour générer un courant continu, et dans lequel le banc de charge ou le navire comprend un convertisseur et dans lequel le convertisseur est configuré pour convertir ledit courant continu en courant alternatif. le banc de charge comprend une pluralité de réservoirs de dihydrogène et de piles à combustibles configurés pour fonctionner de préférence en parallèles. - le courant produit par la pile à combustible est un courant continu, et dans lequel un convertisseur convertit ledit courant continu en courant alternatif. - l’étape de restitution de la puissance excédentaire est activée soit à la demande, soit lorsque la capacité maximale du dispositif de stockage dihydrogène du banc de charge est atteinte. - Produit programme d’ordinateur non transitoire comprenant des instructions, qui lorsqu’elles sont effectuées par au moins un processeur, exécute au moins les étapes des procédés de stockage et de restitution de la puissance excédentaire.
Pour la bonne compréhension de l’invention on entendra notamment par : Régime : vitesse de rotation d’un moteur, il s’exprime généralement en tour par minute (tr/min).
Charge : énergie produite à un instant donné pour le fonctionnement d’organes connectés au moteur et recevant l’énergie d’un moteur. Elle correspond à une puissance et peut s’exprimer en watts. A titre d’exemple non limitatif, un organe consommant l’énergie produite en sortie d’un moteur est par exemple un alternateur générant de l’électricité, un propulseur comprenant par exemple une hélice, et dans le cadre de l’invention un banc de charge comprenant un électrolyseur etc. - Charge effective : charge imposée au moteur par le navire et ne comprenant pas la charge provenant du banc de charge. A titre d’exemple, la charge effective peut donc notamment comprendre : la charge demandée ou nécessité par le bord, la charge demandée par la propulsion. La charge effective se mesure ou se calcule hors utilisation du banc de charge. Elle correspond à une partie au moins ou est fonction d’une partie au moins de la puissance en sortie du moteur.
Charge seuil: charge pour laquelle le moteur thermique, de préférence à un régime donné, présente un rendement maximal ou supérieur à 50% et de préférence à 70% et de préférence à 80% du rendement maximal. - Charge imposée: charge imposée au moteur. Elle correspond ou est fonction de la puissance en sortie du moteur.
Puissance excédentaire : différence entre la charge imposée et la charge effective. Comme cela sera expliqué par la suite : si la charge effective est inférieure à la charge seuil cette définition s’applique ; si la charge effective est supérieure à la charge seuil alors la charge excédentaire est nulle et la charge effective correspond à la charge imposée au moteur. Elle correspond à une partie au moins ou est fonction d’une partie au moins de la puissance en sortie du moteur. L’invention comprend plusieurs dispositifs et/ou élément connectés entre eux. On entend par « connecté à/au » la présence d’une connexion énergétique entre deux éléments. Cette connexion énergétique peut par exemple être mécanique et/ou électrique. L’invention décrite ci-après est relative un véhicule tel qu’un navire comprenant un banc de charge 2 permettant à un moteur thermique 1 de conserver une charge au-dessus d’une charge seuil prédéterminée à un régime donné. Il est précisé avant d’entrer dans le détail de la description que la consommation énergétique d’un navire, s’entend de la consommation réalisée par le propulseur (moyens de propulsion) du navire et/ou par un bord 8.
Le bord 8 regroupe l’ensemble des dispositifs et systèmes non utilisés pour la propulsion du navire et consommant de l’énergie. Généralement, les consommations du bord 8 sont par exemple la charge hôtelière qui inclue de manière non exhaustive l’éclairage, la climatisation, le système d’eau courante, les cuisines mais aussi, les systèmes de communication, les ordinateurs de bords servant notamment à la maîtrise du navire, les radars etc.
Avantageusement, l’application de ce banc de charge se fait sur un navire et notamment pour alimenter en énergie le bord 8 du navire. Dans une réalisation alternative de l’invention le banc de charge 2 sert à alimenter en énergie des moyens de propulsion du navire. Enfin dans une autre réalisation de l’invention le banc de charge 2 alimente les moyens de propulsion du navire et le bord 8. Avantageusement dans les applications marines, le moteur thermique 1 du navire fonctionne à un régime de préférence constant ou à tout du moins avec de faibles variations de régimes. Ledit régime du moteur thermique 1 peut varier de préférence entre 0,75 et 1,25 fois un régime nominal. Lors de croisières, le navire navigue à une vitesse de croisière constante, ainsi la charge relative à la propulsion du navire est relativement constante. Néanmoins, les consommations du bord 8 sont fortement variables ce qui implique un changement de charge fréquent sur le moteur sans pour autant avoir une variation importante du régime.
Nous avons précisé précédemment que le banc de charge 2 s’active de préférence lorsque la charge du moteur thermique 1 passe au-dessous d’une charge seuil prédéterminée à un régime donné.
Avantageusement, la charge seuil prédéterminée est comprise entre 40% et 80% de la charge maximale du moteur thermique 1 à un régime donné. De préférence la charge seuil prédéterminée est comprise entre 50% et 70% de la charge maximale du moteur thermique 1 à un régime donné. De préférence la charge seuil prédéterminée est de 70% de la charge maximale du moteur thermique 1 à un régime donné. Une méthode pour déterminer la charge seuil prédéterminée peut être réalisée à partir de la température des gaz d’échappement liée à la combustion du carburant. Dans cette réalisation la charge seuil prédéterminée est atteinte lorsque la température des gaz d’échappement est comprise entre 350°C (degré Celsius) et 500°C et de préférence 450°C. En effet, lorsque la température de combustion du carburant passe sous ses valeurs, ladite combustion est incomplète. Lorsque la combustion est incomplète, elle produit notamment plus de particules fines ce qui augmente l’encrassement du moteur ainsi que sa pollution. En maintenant une température de combustion au-delà de ces seuils, l’invention assure au moteur thermique un fonctionnement amélioré. De préférence la prédétermination de la charge seuil se fait en fonction de la température de combustion du carburant.
La différence de puissance produite par un moteur thermique 1, entre la charge effective du moteur thermique 1 et la charge seuil prédéterminée, lorsque le banc de charge est activé est appelée charge excédentaire ou puissance excédentaire. Par exemple, si la charge effective du moteur thermique est de 40% de la charge maximale d’un moteur thermique 1 à un régime donné, et que la charge seuil prédéterminée est de 60% de la charge maximale de ce moteur thermique 1, alors si l’on fait fonctionner le moteur à une charge équivalente à la charge seuil prédéterminée, 20% de l’énergie produite par le moteur thermique 1 (soit la différence entre la charge effective et la charge seuil prédéterminée) est de la a puissance excédentaire.
Cette puissance excédentaire sert avantageusement à alimenter un électrolyseur pour stocker de l’énergie sous forme de dihydrogène (H2) comme cela sera détaillé par la suite.
Le moteur thermique 1 quant à lui permet la production d’énergie grâce à la combustion d’un carburant. Le carburant est de préférence du diesel. Avantageusement le moteur thermique 1 peut servir à l’alimentation de la propulsion du navire et/ou à l’alimentation du bord 8. Avantageusement le moteur thermique 1 peut être directement connecté à un propulseur du navire encore désigné, moyens de propulsion. Un propulseur, comprend par exemple un ou plusieurs arbres de transmission et une ou plusieurs hélices. Dans une autre réalisation de l’invention, le moteur thermique 1 est connecté à un générateur produisant de l’électricité. Cette électricité pouvant servir à la propulsion du navire et/ou à l’alimentation du bord 8. Bien entendu, plusieurs moteurs thermiques 1 peuvent être installés en parallèle et chacun d’eux peut être ou non relié à un ou plusieurs moyens de propulsion et/ou un ou plusieurs générateurs d’électricité. Le moteur thermique 1 peut alors être par exemple un groupe électrogène servant à l’alimentation du bord 8 et/ou à la propulsion du navire.
Le banc de charge 2
Avantageusement le banc de charge 2 comprend au moins un électrolyseur 3 et au moins une pile à combustible 5. De manière optionnelle, le banc de charge 2 comprend également au moins un réservoir de dihydrogène 4, un réservoir d’eau 6 et optionnellement au moins un convertisseur 7. Toujours de manière optionnelle, le banc de charge 2 peut aussi comprendre au moins un réservoir d’oxygène 9, au moins un purificateur 10 et au moins un filtre 11. L’électrolyseur 3 L’électrolyseur 3 permet notamment la réalisation de l’électrolyse de l’eau. C’est-à-dire la séparation du dihydrogène (H2) et de l’oxygène (O) à partir de l’eau (H20). L’électrolyse de l’eau se fait avantageusement au moyen d’un courant électrique dans de l’eau par le biais d’une cathode et d’une anode. Ainsi, lorsque la charge effective du moteur thermique 1 passe au-dessous de la charge seuil prédéterminée, l’électrolyseur 3 s’active. L’activation de l’électrolyseur 3 entraîne une charge supplémentaire sur le moteur thermique 1 ce qui maintient la charge imposée au moteur thermique 1 au moins au niveau de la charge seuil prédéterminée. Avantageusement, l’activation de l’électrolyseur 3 ce fait par sa mise sous tension et donc par le passage d’un courant électrique dans de l’eau (H20). Dans la réalisation préférée de l’invention, le banc de charge 2 peut comprendre un électrolyseur 3 à haut différentiel de pression. Cet électrolyseur spécifique permet notamment la production de dihydrogène à une pression comprise entre 200 et 600 bars et de préférence entre 350 et 450 bars et de préférence à 400 bars.
Avantageusement, la production de dihydrogène à de telles pressions permet de ne pas utiliser de compresseur afin de le stocker ensuite dans le réservoir de dihydrogène 4. Ainsi, dans cette réalisation préférée, le banc de charge 2 ne comprend pas de compresseur.
Avantageusement l’électrolyseur 3 peut être de type Alcalin ou avec une membrane à échange de protons (PEM).
De préférence l’électrolyseur 3 est alimenté en eau (H20) à partir du réservoir d’eau 6.
Le réservoir de dihydrogène 4
Le réservoir de dihydrogène 4 permet avantageusement de stocker la puissance excédentaire sous forme de dihydrogène. Avantageusement le réservoir de dihydrogène 4 permet de stocker le dihydrogène produit par l’électrolyseur 3 à une pression importante. Avantageusement, la pression du dihydrogène se fait entre 200 et 600 bars et de préférence entre 350 et 450 bars et de préférence à 400 bars.
Avantageusement, le réservoir de dihydrogène 4 comprend des fibres composites enroulés tels que par exemple des fibres de carbone et/ou des fibres de kevlar afin d’accentuer sa résistance à la pression. D’autres types de réservoir de dihydrogène 4 permettant de contenir du dihydrogène sont bien entendu possibles.
Le but de pouvoir stocker du dihydrogène à forte pression est de pouvoir emmagasiner un maximum de dihydrogène dans à un volume donné, donc d’obtenir le stockage d’une plus grande quantité de puissance excédentaire.
Le réservoir de dihydrogène 4 est avantageusement de taille standard, c’est-à-dire qu’il peut remplacer facilement d’autres éléments des navires tels que des batteries ou un générateur par exemple. Bien entendu, plus le réservoir est d’un volume important et/ou plus le nombre de réservoir augmente, plus il est possible de stocker du dihydrogène.
Avantageusement le réservoir de dihydrogène 4 comprend des attaches sur sa portion inférieure notamment lui permettant d’être fixé à la coque du navire.
Le réservoir comprend aussi un système de dégazage de préférence rapide notamment pour des raisons de sécurités.
Avantageusement, le réservoir de dihydrogène 4 permet d’alimenter en dihydrogène une pile à combustible 5. L’alimentation de la pile à combustible 5 en dihydrogène peut se faire à une pression différente de la pression de stockage du dihydrogène.
Le réservoir d’oxygène 9
Dans une réalisation de l’invention, l’oxygène (O) produit par l’électrolyseur 3 est rejeté dans l’air ambiant.
De manière optionnelle l’oxygène produit par l’électrolyseur 3 est stocké dans un réservoir d’oxygène 9. L’un des avantages d’avoir un réservoir d’oxygène est d’avoir un fonctionnement du banc de charge 2 complètement en circuit fermé. Cela limite ainsi le nombre de filtres et autres dispositifs nécessaires pour extraire l’oxygène de l’air ambiant tout en garantissant la qualité de l’oxygène ensuite injecté dans la pile à combustible 5. En fonction des réalisations de l’invention, un ou plusieurs réservoirs d’oxygène peuvent être disponibles. Une solution mixte comprenant un réservoir d’oxygène et une extraction de l’oxygène depuis l’air ambiant est aussi possible.
La pile à combustible 5
La pile à combustible 5 permet de convertir en électricité et en en eau pure (H20) le dihydrogène stocké dans le réservoir de dihydrogène 4 et l’oxygène de l’air ambiant et/ou stocké dans un réservoir d’oxygène. Plus précisément, cette conversion génère de l’eau, de la chaleur et de l’électricité. Avantageusement, l’eau produite est stockée dans le réservoir d’eau 6. Le but de la pile à combustible 5 est de permettre une restitution de la puissance excédentaire précédemment stockée sous la forme de dihydrogène. Cette restitution se fait sous forme de courant électrique.
En fonction de l’électrolyseur 3 la pile à combustible 5 peut être une pile à combustible alcaline ou à membrane échangeuse de protons (PEM). Ainsi, de manière préférentielle on associera une pile à combustible 5 alcaline à un électrolyseur 3 alcalin, et une pile à combustible 5 à membrane échangeuse de protons (PEM) à un électrolyseur 3 avec une membrane à échange de protons (PEM). Néanmoins ces associations ne sont pas limitatives et il est possible d’avoir un électrolyseur 3 d’une technologie spécifique associé avec une pile à combustible 5 d’une autre technologie.
Plusieurs piles à combustible 5 peuvent aussi être connectées en parallèles.
Avantageusement, la pile à combustible 5 délivre une puissance d’au moins 150Kw (Kilowatt) (103 watts) sous forme de courant électrique continu.
Le réservoir d’eau 6
Le réservoir d’eau 6 est configuré pour recueillir l’eau issue de la pile à combustible 5 ainsi que pour alimenter l’électrolyseur 3 en eau. L’objectif principal est d’avoir un volume d’eau stable dans le banc de charge 2. Ainsi, la quantité d’eau dans le banc de charge 2 ne varie pas notamment du fait que l’eau dans le banc de charge 2 circule en circuit fermé. Cela permet de contrôler parfaitement la qualité de l’eau circulant dans l’électrolyseur 3. En améliorant le contrôle de la qualité de l’eau dans le banc de charge 2, et donc la qualité de l’eau en elle-même on améliore le rendement du banc de charge 2.
Le convertisseur 1
Avantageusement, comme nous l’avons dit précédemment, la pile à combustible 5 produit une puissance d’au moins 150Kw. Cette puissance est délivrée sous la forme d’un courant électrique continue (DC). De préférence, la tension de ce courant électrique est comprise entre 500 et 1000 Volt (V) et de préférence de 600V. Dans certain cas, il n’est pas souhaitable que le bord 8 et/ou les moyens de propulsion du navire soit alimentés en courant continu. Ainsi, un convertisseur 7 permet la transformation du courant continu en courant alternatif (AC), plus à même d’être utilisé par les équipements du bord 8 et/ou les moyens de propulsion du navire. Avantageusement, le convertisseur 7 permet la conversion d’un courant alternatif compris entre 500V et 1000V et de préférence de 600V en un courant alternatif dont la tension est comprise entre 100V et 450V et de préférence 380V et dont la fréquence est comprise entre 50Hz et 60Hz et de préférence 50Hz. Il est aussi précisé que l’électricité pour activer l’électrolyseur 3 est généralement fournie à travers un courant alternatif. En effet, c’est un moteur thermique 1 qui fournit cette électricité et donc le courant est avantageusement un courant alternatif. Néanmoins, l’électrolyseur 3 a avantageusement besoin d’un courant continu pour fonctionner. Ainsi, un deuxième convertisseur 7 peut être positionné en amont de l’entrée de l’électrolyseur 3 afin de convertir le courant alternatif produit par le moteur thermique 1 en courant continu.
Dans la réalisation préférée de l’invention, c’est le même convertisseur 7 qui est utilisé pour convertir le courant soit en courant continu, soit en courant alternatif en fonction des besoins. Dans cette réalisation, le convertisseur 7 est bidirectionnel.
Le purificateur 10
Le purificateur 10 est optionnellement présent si l’électrolyseur 3 et la pile à combustible 5 sont des dispositifs alcalin. Dans cette hypothèse, un purificateur 10 est nécessaire pour évacuer une solution alcaline du dihydrogène produit et assurer un meilleur stockage du dihydrogène.
Dans cette configuration, la solution alcaline récupérée par le purificateur 10 est ensuite injectée dans le réservoir d’eau 6. Cette configuration avantageuse permet notamment à l’eau pure située en sortie de la pile à combustible 5 d’être immédiatement compatible avec l’électrolyseur 3 alcalin. Cette solution est une réalisation spécifique et n’est bien entendu pas limitative de l’invention. Le purificateur 10 n’est pas représenté sur la figure 1.
Le filtre 11
Optionnellement, le banc de charge 2 peut comprendre au moins un filtre 11 afin notamment de filtrer les embruns de sel de l’air ambiant en avant l’entrée de l’air dans la pile à combustible 5. Comme nous l’avons précisé, avantageusement le banc de charge 2 est installé sur un navire. A ce titre, l’air ambiant comprend du chlorure de sodium. De plus, nous avons dit que l’oxygène nécessaire à la pile à combustible 5 pouvait dans certaines réalisations être extrait de l’air ambiant. Il est alors nécessaire d’avoir un dispositif permettant la filtration de l’air ambiant. Ce filtre 11 est de préférence situé en sortie du réservoir de dihydrogène 4 et en entrée de la pile à combustible 5.
Dans la réalisation préférée du filtre 11, le filtre 11 comprend quatre étages. Ainsi, le premier étage de filtration comprend des barrières de type labyrinthe. Le deuxième étage comprend des filtres classiques permettant de récupérer notamment le chlorure de sodium. Le troisième étage comprend une filtration en phase humide avec un circuit fermé d’eau de nettoyage. Enfin, le quatrième étage comprend un saturateur.
Le filtre 11 comprend aussi, dans sa partie basse un contenant permettant soit de récupérer les dépôts, soit de les purger.
Utilisation du banc de charge 2 L’utilisation du banc de charge 2 comprend notamment deux fonctionnements complémentaires : un premier fonctionnement consiste à utiliser la puissance excédentaire pour stocker de l’énergie sous la forme de dihydrogène, et un deuxième fonctionnement consiste en la une restitution de ladite énergie stockée sous forme de dihydrogène en puissance excédentaire.
Le stockage de la puissance excédentaire
Le stockage de la puissance excédentaire par le banc de charge 2 comprend avantageusement au moins les étapes suivantes en réponse à une baisse de la consommation énergétique du navire entraînant une baisse de la charge effective du moteur thermique 1 au-dessous d’une charge seuil prédéterminée: - Activation de l’électrolyseur 3 afin d’augmenter la charge du moteur thermique 1 au moins au niveau de la charge seuil prédéterminée, Production par l’électrolyseur 3 de dihydrogène à partir d’eau issue du réservoir d’eau 6 grâce à la puissance excédentaire produite par le moteur thermique 1,
Stockage du dihydrogène produit dans l’électrolyseur 3 dans le réservoir de dihydrogène 4.
Comme nous l’avons précisé précédemment, l’augmentation de la charge du moteur thermique 1 permet une augmentation de la température de combustion du carburant et donc de conserver une combustion complète du carburant. Cette combustion complète prévient des risques d’encrassement et de pollution excessive du moteur thermique 1.
Restitution de la puissance excédentaire
La restitution de la puissance excédentaire par le navire comprend avantageusement au moins les étapes suivantes en réponse à une augmentation de la consommation énergétique du navire au-delà de la charge seuil prédéterminée :
Maintien de la charge du moteur thermique 1 au moins au niveau de la charge seuil prédéterminée, - Activation de la pile à combustible 5 consommant du dihydrogène et produisant un courant électrique et de l’eau, - Stockage de l’eau produite dans un réservoir d’eau 6,
Utilisation du courant électrique par le navire pour répondre à l’augmentation de la consommation énergétique du navire.
Avantageusement, le déclanchement de la restitution de la puissance excédentaire par le banc de charge 2 se produit, soit lorsque de la consommation énergétique du navire, est telle que la charge effective du moteur thermique est au moins au niveau et de préférence passe au-dessus de la charge seuil prédéterminée, soit, lorsque la capacité de stockage de dihydrogène arrive à son maximum.
Dans cette dernière situation, au lieu de désactiver l’électrolyseur 3 et donc d’abaisser la charge du moteur thermique 1 au-dessous de la charge seuil prédéterminée, la pile à combustible 5 s’active pour diminuer le stock de dihydrogène stocké, même sans nécessité de consommation du bord 8. L’énergie est alors perdue, néanmoins, il est préférable de perdre une portion de la puissance excédentaire stockée par le biais de la pile à combustible 5, plutôt que de passer sous la charge seuil prédéterminée.
Une autre solution est la possibilité de fournir le bord 8 uniquement avec l’énergie de la pile à combustible 5. Dans cette réalisation, le moteur thermique 1 ne fournit plus d’énergie au bord 8 et l’ensemble des besoins énergétiques du bord 8 sont supportés par la pile à combustible 5. Cela permet notamment d’améliorer de consommation de carburant.
De même, que si le bord 8 n’a aucun ou quasiment aucun besoin énergétique, alors le moteur thermique 1 peut se désactiver complètement, et dans ce cas, même l’énergie nécessaire à la propulsion du navire est fournie par la pile à combustible 5. Ces réalisations avantageuses permettent notamment de ne pas perdre la puissance excédentaire accumulée dans la pile à combustible 5 si le stockage est plein et que la consommation du bord n’augmente pas. D’autres réalisations sont possibles, notamment en coupant systématiquement le moteur thermique 1 dès lors que le stockage de l’énergie est à son maximum. L’ensemble de ces réglages et solutions seront avantageusement pilotés par un programme informatique. En fonction des navires et des utilisations énergétiques de ces derniers, des schémas d’activation de la pile à combustible 5 différents pourront s’appliquer.
Avantageusement, la gestion de l’activation ou non de l’électrolyseur 3, ainsi que l’activation ou non de la pile à combustible 5, et plus généralement l’application de l’ensemble des utilisations des dispositifs et procédés décrits ci-dessus est mis en œuvre par un programme d’ordinateur au moyen d’au moins un microprocesseur. Le programme permet ainsi d’améliorer la consommation d’énergie en contrôlant et en maintenant la charge effective du moteur thermique 1 à un niveau égal ou supérieur à la charge seuil prédéterminée.
Il peut aussi être prévu par exemple différentes charges minimales prédéterminées associées soit à différents moteurs thermiques 1 présents dans le navire, soit à différentes activations de l’électrolyseur 3. La gestion du banc de charge 2 et de sa connexion au navire est réalisé par ledit programme d’ordinateur.
Avantageusement, si la charge effective (Ceff) est supérieure ou égale à la charge seuil (Cseuil) alors la charge effective est égale à la charge imposée (Cimposée) et la puissance excédentaire (Pex) est égale à zéro.
Soit : si Ceff > Cseuil alors
Ceff = Cimposée et Pex = 0 A l’inverse si la charge effective est inférieure à la charge seuil, alors la charge imposée est supérieure à la charge effective de manière à ce que la charge imposée atteigne au moins le niveau de la charge seuil. Cela permet de rendre disponible de la puissance excédentaire. La charge imposée est alors égale à la charge effective plus la puissance excédentaire. De préférence, la puissance excédentaire est supérieure ou égale à la charge seuil moins la charge effective. Selon un mode de réalisation particulier, la puissance excédentaire est égale à la charge seuil moins la charge effective.
Soit : si Ceff < Cseuil alors
Cimposée = Ceff + Pex
De préférence : Pex > Cseuil - Ceff
Dans un mode de réalisation particulier : Pex = Cseuil - Ceff L’invention n’est pas limitée aux modes de réalisation précédemment décrits mais s’étend à tous modes de réalisation conformes à son esprit.
Selon un exemple non limitatif, un navire peut comprendre plusieurs de bancs de charge 2. Ainsi, il est possible d’avoir un banc de charge 2 dédié à la consommation d’énergie du bord 8 et un autre banc de charge 2 dédié à la consommation des moyens de propulsion du navire.
De plus, l’ensemble des réalisations décrites peuvent être prises seules ou en combinaison avec d’autres réalisations.
REFERENCES 1. Moteur thermique 2. Banc de charge 3. Electrolyseur 4. Réservoir de dihydrogène 5. Pile à combustible 6. Réservoir d’eau 7. Convertisseur 8. Bord 9. Réservoir d’oxygène 10. Purificateur 11. Filtre
Claims (12)
- REVENDICATIONS1. Navire comprenant au moins un moteur thermique (1) configuré pour fonctionner à un régime compris entre 0,75 et 1,25 fois un régime donné, caractérisé en ce qu’il comprend un banc de charge (2) connecté au moteur thermique (1) et configuré pour maintenir la charge imposée au moteur thermique (1) au moins au niveau d’une charge seuil prédéterminée pour le régime donné, le rendement du moteur thermique (1) étant supérieur ou égal à 50% de son rendement maximal lorsqu’il est soumis à cette charge seuil prédéterminée, une charge effective étant une charge appliquée au moteur thermique (1) et ne comprenant pas la charge provenant du banc de charge (2), lorsque la charge effective est inférieure à la charge seuil prédéterminée, alors la différence entre la charge imposée au moteur thermique (1) et la charge effective prédéterminée correspond à une puissance excédentaire produite en sortie du moteur thermique (1), et en ce que ledit banc de charge (2) comprend au moins un électrolyseur (3) connecté au moteur thermique (1), au moins une pile à combustible (5) et au moins un dispositif de stockage de dihydrogène (H2), ledit banc de charge (2) étant configuré de manière à ce que l’électrolyseur (3) reçoive la puissance excédentaire produite en sortie du moteur thermique (1) afin de produire du dihydrogène (H2) et de fournir le dihydrogène à la pile à combustible (5) ou au dispositif de stockage de dihydrogène.
- 2. Navire selon la revendication précédente, dans lequel le dispositif de stockage du dihydrogène comprend un réservoir d’eau (6) configuré pour recueillir un rejet en eau (H20) de la pile à combustible (5) et pour alimenter l’électrolyseur (3) en eau.
- 3. Navire selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel l’électrolyseur (3) est configuré pour produire du dihydrogène à une pression supérieure ou égale à 150 bars (150 105 Pa) et de préférence comprise entre 150 et 400 bars.
- 4. Navire selon la revendication précédente, dans lequel le banc de charge (2) comprend au moins un réservoir de dihydrogène (4) comprenant des fibres composites et configuré pour stocker le dihydrogène produit par l’électrolyseur (3) à une pression comprise entre 150 et 400 bars.
- 5. Navire selon la revendication précédente dans lequel le réservoir de dihydrogène (4) comprend un système de dégazage du dihydrogène.
- 6. Navire selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel la charge seuil prédéterminée est comprise entre 0,4 et 0,6 fois et de préférence égale à 0,5 fois une charge maximale du moteur thermique (1) à un régime donné.
- 7. Navire selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel la pile à combustible (5) est configurée pour générer un courant continu, et dans lequel le banc de charge ou le navire comprend un convertisseur (7) et dans lequel le convertisseur (7) est configuré pour convertir ledit courant continu en courant alternatif.
- 8. Navire selon l’une des revendications précédentes dans lequel le banc de charge (2) comprend une pluralité de réservoirs de dihydrogène (4) et de piles à combustibles (5) configurés pour fonctionner de préférence en parallèles.
- 9. Procédé de stockage de la puissance excédentaire produite par le moteur thermique (1) d’un navire selon l’une quelconque des revendications précédentes le procédé comprenant les étapes suivantes effectuées en réponse à une baisse de la consommation énergétique du navire entraînant une baisse de la de charge effective du moteur thermique (1) jusqu’à un niveau inférieur à la charge seuil prédéterminée,: - Activation de l’électrolyseur (3) afin d’augmenter la charge du moteur thermique (1) de manière à ce que la charge du moteur thermique (1) soit au moins égale à la charge seuil prédéterminée, Production par l’électrolyseur (3) de dihydrogène à partir d’eau issue d’un réservoir d’eau (6) grâce à la puissance excédentaire produite par le moteur thermique (1), Stockage du dihydrogène produit par l’électrolyseur (3) dans un réservoir de dihydrogène (4).
- 10. Procédé de restitution de la puissance excédentaire par un navire selon l’une quelconque des revendications précédentes le procédé comprenant les étapes suivantes effectuées en réponse à une augmentation de la consommation énergétique hors utilisation du banc de charge (2) au-delà de la charge seuil prédéterminée : - Maintien de la charge du moteur thermique (1) au niveau de la charge seuil prédéterminée, - Activation de la pile à combustible (5) consommant du dihydrogène provenant d’un dispositif de stockage de manière à produire un courant électrique et de l’eau, Stockage, dans un réservoir d’eau (6), de l’eau produite par la pile à combustible (5), Utilisation du courant électrique produit par la pile à combustible (5) par le navire pour répondre à l’augmentation de la consommation énergétique du navire.
- 11. Procédé selon la revendication précédente dans lequel, le courant produit par la pile à combustible (5) est un courant continu, et dans lequel un convertisseur (7) convertit ledit courant continu en courant alternatif.
- 12. Procédé selon l’une des deux revendications précédente dans lequel l’étape de restitution de la puissance excédentaire est activée soit à la demande, soit lorsque la capacité maximale du dispositif de stockage dihydrogène (4) du banc de charge est atteinte.
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