La présente invention concerne un système de distribution global d'énergie telle que de l'hydrogène liquide.

Contrairement à la distribution du pétrole et du gaz qui jouit d'infrastructures complexes et complètes (transport par pipelines, par voies maritime et routière, installations de raffinage, stockage, etc ...) depuis les lieux de production jusqu'en tous points de la planète, les énergies alternatives sont quant à elles dépourvues de telles infrastructures de dis- tribution si bien que, à leur coût déjà peu compétitif par rapport à celui du pétrole, s'ajoute celui de la distribution proprement dite, ce qui est un frein à leur développement excepté lorsque les prix du pétrole et du gaz atteignent des seuils très élevés.

Comme source d'énergie alternative, on peut citer l'hydrogène liquide que, par exemple par le document US2008/053094, on sait produire de manière propre dans une station-ballon qui est située en altitude au-dessus des couches nuageuses et qui convertit, par des moyens appropriés, une réserve d'eau à bord de la station-ballon en hydrogène liquide, et ce à partir du rayonnement solaire.

A partir d'une telle station-ballon, la présente invention se propose de concevoir un système de distribution global d'énergie qui s'affranchit des infrastructures lourdes et complexes comme celles nécessaires à la distribution des énergies fossiles.

A cet effet, le système de distribution global d'énergie telle que de l'hydrogène liquide obtenu et stocké dans une station-ballon située en altitude, au-dessus des couches nuageuses, et convertissant une réserve d'eau à bord de ladite station-ballon en hydrogène liquide à partir du rayonnement solaire, est remarquable, selon l'invention, en ce qu'il com- prend une pluralité de stations-ballons de production d'hydrogène liquide formant un réseau de distribution global d'hydrogène liquide en direction de zones cibles d'utilisation dudit hydrogène liquide, et en ce que lesdites stations-ballons en réseau sont positionnées au plus près desdites zones cibles d'utilisation, sensiblement au-dessus de celles-ci, de manière que le transfert de l'hydrogène liquide entre lesdites stations-ballons de production et lesdites zones cibles d'utilisation soit minimal.

Ainsi, comme les stations-ballons de production d'hydrogène liquide, agencées en réseau, se trouvent en altitude au-dessus ou au moins proches des zones cibles d'utilisation (qu'elles soient fixes ou mobiles), on évite, au sol, la réalisation d'infrastructures lourdes, complexes et coûteuses telles que celles utilisées pour les énergies fossiles, pour distribuer l'hydrogène liquide produit par les stations-ballons. La conception d'un tel système de distribution s'affranchissant des contraintes usuelles de distri- bution, s'avère être un avantage déterminant puisque seule une organisation appropriée des stations-ballons en réseau est nécessaire en fonction des zones cibles d'utilisation pour couvrir la globalité des besoins et fournir de l'énergie qui plus est alternative et propre à un coût compétitif.

De préférence, chaque station-ballon porte une pluralité de corps volants commandables contenant l'hydrogène liquide produit et ayant pour mission de rallier lesdites zones cibles d'utilisation pour les ravitailler. Un tel agencement est particulièrement intéressant dans l'application préférentielle, quoique non exclusive, de l'invention à la gestion d'une flotte d'avions fonctionnant alors à l'hydrogène en tant que zones cibles mobiles d'utilisation. En effet, le système de distribution à base d'hydrogène selon l'invention est bien plus efficace en termes énergétiques qu'un système à kérosène puisque le lieu de production de l'hydrogène est beaucoup plus proche des avions à ravitailler, et les installations de distribution comme pour le pétrole sont inutiles avec l'hydrogène puisque ce sont les corps volants tels que des drones, qui assurent le transport de l'hydrogène liquide par l'énergie potentielle de gravité jusqu'aux zones cibles.

Celles-ci peuvent être mobiles comme ci-dessus ou fixes telles que des installations de stockage pour l'hydrogène liquide situées en de multi- pies points pour former un réseau de distribution de proximité et, pour revenir à l'application préférentielle, dans les aéroports afin de ravitailler les avions au sol, de sorte que, avec l'invention, on réalise un système de distribution global d'énergie pour gérer, au sol et dans les airs, les flottes d'avions.

Bien évidemment, ces stations-ballons à corps volants peuvent aussi ravitailler d'autres zones cibles d'utilisation fixes, situées au sol.

Par ailleurs, lesdites stations-ballons situées en altitude peuvent être libres et autonomes, les différentes phases de montée, descente et mise en palier desdites stations-ballons étant assurées par le réglage du volume variable des ballons desdites stations. Cela est bien entendu préférable lorsque lesdites zones cibles d'utilisation sont mobiles, puisque les stations-ballons peuvent être alors amenées au plus près de points remarquables de passage desdites zones mobiles (couloirs aériens des avions) .

Cependant, en variante, lesdites stations-ballons situées en alti- tude peuvent être captives et reliées au sol par un lien commandable, avantageusement placé à l'aplomb de la zone cible à ravitailler, telle qu'une zone alors fixe (installation au sol, ...) .

Dans ce cas, chaque lien peut se composer d'au moins deux câbles assemblés l'un à la suite de l'autre par l'intermédiaire d'un ballon auxiliaire et reliés, pour l'un, au sol et, pour l'autre, à ladite station-ballon. Un tel montage par plusieurs câbles permet d'atteindre sans difficulté une altitude importante, d'autant plus que le ou les ballons auxiliaires annulent le poids du ou des câbles inférieurs. Avantageusement, ledit réseau de stations-ballons se compose de plusieurs groupes de n stations-ballons situés au-dessus desdites zones cibles d'utilisation, au moins une station-ballon de l'un desdits groupes pouvant migrer vers un autre groupe en fonction des besoins et le nombre de corps volants dans chaque station-ballon est variable, fonction des zones cibles d'utilisation à ravitailler. Ainsi, on adapte le réseau (nombre de groupes, de stations-ballons et de corps volants) en fonction de la demande, en pouvant moduler leur nombre (ajout, retrait) .

Par exemple, lorsque lesdites zones cibles sont mobiles, telles que des avions à ravitailler en énergie et fonctionnant à l'hydrogène liquide, la densité de stations-ballons dans chaque phase de vol desdits avions, comme les phases de montée, de mise en palier et de descente, est uniforme et, dans chacune desdites phases de vol, les densités de stations- ballons sont différentes. Ainsi, on peut disposer davantage de stations- ballons dans la phase de montée des avions, là où leur consommation est maximale, que dans leur phase de descente.

Par ailleurs, lesdites stations-ballons attribuées à une zone cible d'utilisation peuvent être pilotées par un système informatique gérant la ressource desdites stations-ballons au niveau de ladite zone cible et, avan- tageusement, ledit système informatique de gestion de la ressource est inclus dans un logiciel de gestion du trafic aérien. Ainsi, on peut optimiser les trajets des avions, les positionnements desdites stations-ballons, le choix des corps volants ravitailleurs, etc ... en fonction des conditions du moment.

Selon une autre caractéristique de l'invention, lorsque lesdites stations sont libres et autonomes, chacune d'elles comprend un calculateur maître-esclave auquel est relié un équipement de pilotage-guidage, lesdits calculateurs maître-esclave communiquant entre eux de manière qu'un calculateur défaillant de l'une desdites stations-ballons soit remplacé par un calculateur opérationnel d'une quelconque autre station-ballon. Ainsi, le positionnement spatial desdites stations-ballons entre elles au sein d'un groupe est maintenu.

Par exemple, le remplacement dudit calculateur défaillant par un calculateur opérationnel peut être assuré par une unité de vote pouvant être déclenchée à distance et permettant de basculer du calculateur défaillant à l'autre en neutralisant les données du calculateur défaillant à destination de l'équipement correspondant tout en laissant passer celles du calculateur opérationnel.

De préférence, lesdits calculateurs communiquent entre eux et avec lesdits équipements respectifs par radiofréquence ou par voie optique et lesdites unités de vote communiquent avec lesdits calculateurs par radiofréquence ou par voie optique.

Avantageusement, chaque calculateur desdites stations-ballons a la capacité de calcul nécessaire à la gestion desdites stations-ballons d'un groupe.

Selon une autre caractéristique, lesdites stations-ballons d'un groupe forment entre elles un graphe de communications connecté en permanence, la topologie intrinsèque dudit graphe étant optimisée pour faire face à une perte de liaisons. Ainsi, on est sûr que les stations-ballons restent en contact permanent, même si une panne survient sur l'une d'elles ou si un changement géométrique du groupe se produit.

Les figures du dessin annexé feront bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. Sur ces figures, des références identiques désignent des éléments semblables.

La figure 1 représente un exemple de réalisation partielle d'un système de distribution d'hydrogène liquide produit par des stations-ballons de type autonome. La figure 2 montre schématiquement une station-ballon de type captif.

La figure 3 montre une architecture de pilotage de deux stations- ballons.

La figure 4 est un exemple schématique de réalisation du réseau de télécommunications entre n stations-ballons.

Le système de distribution d'hydrogène liquide 1 , représenté de façon partielle et schématique sur la figure 1 , est destiné, dans son application particulière préférée quoique non exclusive, à la gestion d'une flotte d'avions, c'est-à-dire le ravitaillement en vol des avions ainsi que le remplissage des cuves ou réservoirs en hydrogène liquide prévus dans les aéroports ou sites analogues pour le ravitaillement au sol des avions. Ainsi, pour cette application, un tel système de distribution est global et indépendant.

Pour cela, le système 1 comprend une pluralité de stations-ballons de production d'hydrogène liquide dont seules trois sont référencées 2A, 2B et 2C sur la figure 1 . Elles sont situées en altitude au-dessus des couches nuageuses, par exemple dans la stratosphère, et utilisent alors avantageusement le rayonnement solaire pour convertir de l'eau, à bord des stations-ballons, en hydrogène liquide.

Ces stations-ballons 2A, 2B, 2C, ..., 2n de production d'hydrogène sont alors agencées en réseau de distribution de l'hydrogène liquide produit en direction de zones cibles d'utilisation Z telles que, dans ladite application, les avions AV1 , AV2, ..., AVm et les cuves-réservoirs de stoc- kage CR des aéroports, de sorte qu'elles sont disposées en groupes G ou constellations au-dessus des différentes zones cibles en fonction des besoins, comme on le verra ultérieurement, notamment en ce qui concerne le ravitaillement en vol des avions. De plus, comme les stations-ballons se trouvent en haute altitude, elles sont positionnées au-dessus des zones cibles fixes (aéroports) ou mobiles (avions) en des points alors prédéterminés, de façon que la distance de transfert d'hydrogène liquide soit minimale.

Plus particulièrement, chacune des stations-ballons 2A, 2B, 2C, ..., 2n par ailleurs identiques entre elles, se compose structurellement et brièvement d'une plate-forme 3 entourée, dans cet exemple, d'un ballon ou enveloppe torique de sustentation 4 à volume variable réglable pour assurer les différentes phases de fonctionnement de la station-ballon, c'est-à-dire sa montée, sa descente et sa mise en palier à l'altitude souhai- tée. Sur cette plate-forme 3 sont prévus une réserve d'eau 5 et un dispositif de transformation 6 de l'eau en ses composants oxygène et hydrogène à partir du rayonnement solaire reçu. Ce dispositif 6 symbolisé par un rectangle sur la figure 1 peut être du type direct, par craquage, par un concentrateur solaire mobile tourné vers le soleil et dissociant spontané- ment l'hydrogène et l'oxygène de l'eau, ou du type indirect, par électro- lyse, par un générateur photoélectrique mobile tourné vers le soleil et ayant en son foyer un moteur thermique. Sous la plate-forme 3 de chaque station-ballon 2 sont prévus des corps volants 7, tels que des drones, dont les réservoirs renferment l'hydrogène liquide produit par le dispositif de transformation puis liquéfié, et qui peuvent être largués de manière commandable pour rallier les zones cibles d'utilisation Z.

On a représenté sur la figure 1 des stations-ballons 2A, 2B, 2C dites libres ou autonomes, du fait qu'elles ne sont pas reliées au sol S et peuvent manœuvrer elles-mêmes en variant le volume réglable de gaz contenu dans les ballons toriques 4 et en commandant également et si nécessaire des moteurs de contrôle d'attitude non représentés, prévus sur la plate-forme 3. Les stations-ballons de ce type sont particulièrement destinées au ravitaillement de zones cibles mobiles bien qu'elles puissent être également disposées au-dessus de zones cibles fixes. En revanche, sur la figure 2, on a représenté une station-ballon 2i dite captive du fait qu'elle est reliée au sol S par un lien commandable 8. Le sol S peut être le sol ferme ou un sol « flottant » sur l'eau (mer, ...) par l'intermédiaire d'une plate-forme ou barge appropriée. Aussi, pour attein- dre une haute altitude (30 à 60 kms), le lien 8 se compose de plusieurs câbles assemblés les uns à la suite des autres et entre lesquels sont avantageusement disposés des ballons auxiliaires 10. Sur la figure 2, un seul ballon auxiliaire 10 a été représenté auquel est associé, d'un côté, un câble inférieur 1 1 fixé au sol S par l'intermédiaire d'une motorisation 14 et, de l'autre côté, un câble supérieur 1 2 (ou n câbles en trait mixte avec d'autres ballons auxiliaires) raccordé à la plate-forme 3 de la station-ballon 2i. Compte tenu de la longueur de chaque lien 8 qui peut atteindre plus de 30 kms et, donc, de sa masse, chaque ballon auxiliaire 10 va produire une poussée opposée au vecteur poids du câble, si bien que, avec ces ballons auxiliaires, on peut atteindre sans problème de telles hauteurs. Bien évidemment, ce type de stations-ballons captif est particulièrement destiné au ravitaillement de zones cibles fixes en étant disposé juste au-dessus d'elles. Là encore, la production d'énergie se fait à proximité du lieu ou de la zone de consommation (aéroport dans l'application préférentielle) et, donc, l'équation énergétique est meilleure que celle du kérosène ou autres dérivés pétroliers.

Aussi, pour améliorer la résistance au vent du système de distribution, les ballons auxiliaires seront profilés.

Pour remplir la réserve d'eau 5 lorsque celle-ci est épuisée, la station-ballon concernée 2A, 2B, 2C, qu'elle soit libre par rapport au sol S (figure 1 ) ou captive par un lien 8 (figure 2), descend soit totalement jusqu'au sol S en agissant sur le volume réglable de gaz (hydrogène) du ballon torique 4 ou sur la motorisation 14 du lien commandable 8 pour remplir la réserve 5 à partir d'un plan d'eau (mer, lac, fleuve, ..), soit par- tiellement jusqu'aux zones nuageuses de l'atmosphère pour y piéger, par un système approprié (filet ou autre), les gouttelettes d'eau des nuages et remplir ainsi la réserve 5. Dans le cas de stations-ballons captives, on pourra avantageusement accoler au lien 8 un tuyau T tel que représenté en trait interrompu sur la figure 2, et dans lequel pourra être injectée, depuis le sol S, de la vapeur d'eau sous pression pour l'alimentation en eau de la réserve 5.

Le ravitaillement des zones cibles Z, mobiles et fixes, montrées schématiquement sur la figure 1 , se déroule de la manière suivante.

Quand l'un des avions doit être ravitaillé en carburant, comme l'avion de droite AV1 , l'un des drones 7 contenant l'hydrogène liquide quitte, sur ordre, la plate-forme 3 de la station-ballon 2A située la plus proche du passage de l'avion AV1 . Pour cela, le drone 7 se dirige en planant selon la trajectoire fléchée T1 en direction de l'avion AV1 . Un moteur auxiliaire de contrôle d'attitude peut être mis en marche pour repositionner le drone s'il s'écarte trop de la trajectoire et/ou finaliser son approche et son raccordement avec l'avion.

En revanche, l'avion AV2 situé à gauche sur la figure 1 est en cours de ravitaillement, le drone 7 étant venu, selon la trajectoire T2, au rendez-vous avec l'avion par une liaison à perche usuelle ou analogue. Lorsque le ravitaillement en hydrogène liquide est effectué, le drone 7 peut repartir vers la plate-forme 3 de la station-ballon 2B de départ selon la flèche ascensionnelle de la trajectoire T2, grâce au moteur auxiliaire alimenté par une partie de l'hydrogène liquide restant dans son réservoir, ou bien il peut rallier un site de réception non représenté, prévu sur le sol S.

Un intérêt important au système de distribution global 1 est que les avions AV1 , AV2, ..., AVm n'ont pas besoin de décoller avec le plein en carburant, de sorte qu'ils sont plus légers et consomment moins, ou alors plus de fret peut être embarqué. On remarque, également, que la notion de rayon d'action des avions devient relative avec le système de l'invention dans la mesure où un avion, quel que soit son type et sa motorisation, pourra parcourir de grandes distances en étant ravitaillé plusieurs fois.

Un autre drone-réservoir 7 de la station-ballon 2A a par ailleurs quitté sa plate-forme 3 pour rallier une cuve-réservoir CR à remplir d'un aéroport selon la trajectoire T3. La cuve-réservoir pourrait être enterrée. Si les stations-ballons représentées sont libres, au moins l'une d'elles pour- rait être captive.

En outre, si le positionnement du réseau de stations-ballons 2A, 2B, 2C, ..., 2n, ou groupes G de stations-ballons du système de distribution 1 de l'invention, au-dessus de zones cibles fixes, paraît évident en fonction des besoins à couvrir, en revanche, pour l'application préféren- tielle de l'invention à la gestion d'une flotte d'avions AV1 , AV2, ..., AVm, c'est-à-dire de zones cibles mobiles, le positionnement s'avère plus complexe puisqu'il doit tenir compte de particularités inhérentes aux avions. En effet, ceux-ci consomment davantage de carburant en phase de montée, moins en phase de palier et encore moins en phase de descente. Ainsi, la répartition des groupes G de stations-ballons autour des routes moyennes des avions sera quelque peu différente, avec plus de stations- ballons de ravitaillement dans les couloirs ascensionnels des avions, moins dans les zones en paliers et encore moins dans les couloirs de descente. Les densités de stations-ballons sont uniformes dans chaque zone cible Z, mais dans chacune d'elles, les densités d seront différentes selon la relation Ci-aprèS d montée > d paliers > d descente.

On voit, sur la figure 1 , que trois stations-ballons 2A, 2B, 2C sont représentées parmi les n stations-ballons que peut comporter un groupe G, et qu'elles sont situées à des altitudes proches mais différentes les unes des autres, dans un espace tridimensionnel. Et le nombre de drones réservoirs 7 qu'elles portent, peut être quelconque (trois sont représentés par station), identique ou non. Par ailleurs, en cas de besoin, l'une des stations-ballons d'un groupe ayant la ressource d'hydrogène liquide en excès peut migrer vers un groupe en défaut de ressource pour faire face à la demande.

Pour cela, un système informatique non représenté gère le système de distribution global 1 de façon à optimiser la ressource, c'est-à- dire l'hydrogène liquéfié produit, et peut être alors avantageusement in- séré dans le logiciel de gestion du trajet aérien pour là aussi optimiser les trajets des avions, les positionnements respectifs des stations-ballons et le choix des drones de ravitaillement en fonction des conditions du moment, du passé récent et du trafic prévisionnel de court terme.

Par ailleurs, on sait qu'il est impératif que les stations-ballons 2A, 2B, 2C, ..., 2n, par exemple au sein d'un même groupe, restent non seulement dans l'environnement d'un point fixe par rapport au sol pour éviter que l'une d'elles ne s'éloigne du groupe, mais également dans une configuration relativement stable les unes par rapport aux autres pour éviter que l'une d'elles ne s'approche trop près d'une autre. (Ces considérations ne concernent que les stations-ballons libres ou autonomes puisque celles dites captives sont reliées au sol par des liens « figeant » leur position) . Pour une zone cible donnée Z, une fois la densité de stations-ballons définie, il faut que le positionnement relatif dans le volume imparti garantisse la densité qui a été spécifiée.

Pour cela, comme le montre la figure 3 mettant seulement en relation deux stations-ballons par souci de clarté, par exemple les stations 2A, 2B, chaque station-ballon comprend un calculateur 1 5 auquel est relié un équipement de pilotage et de guidage 1 6 à capteurs et actionneurs, de manière à pouvoir agir sur le déplacement de la station-ballon. Les calcula- teurs 1 5 communiquent, d'une part, entre eux et, d'autre part, avec leurs équipements de pilotage et guidage correspondants 1 6 par des liaisons respectives 1 7 et 1 8 par radiofréquence et/ou par voie optique (laser) .

Bien évidemment, on ne peut écarter la défaillance d'un calcula- teur et, avantageusement, au lieu de prévoir un calculateur supplémentaire dans chaque station-ballon et obtenir ainsi une redondance interne de fonctionnement, chaque calculateur 1 5 est du type maître-esclave. Ainsi, si le calculateur 1 5 de la station-ballon 2A tombe en panne, le calculateur

1 5 de l'autre station-ballon 2B peut prendre le relais sans que le système soit en danger. Pour assurer la lecture des données fournies par l'équipement

1 6 de la station-ballon 2A par le calculateur 1 5 de la station-ballon 2B et réciproquement, on utilise une unité de vote 20 qui est en communication par des liaisons à radiofréquence et/ou optique 21 avec les calculateurs 1 5 des stations-ballons, de manière à effectuer le déclenchement à distance. Le basculement entre les calculateurs 1 5 est réalisé par l'unité de vote 20 qui, par exemple en cas de défaillance du calculateur 1 5 de la station 2A, inhibe les données de ce dernier à destination de l'équipement 1 6 tout en laissant passer les données du calculateur 1 5 de la station 2B.

Ainsi, un tel agencement de calculateurs maître-esclave 1 5 et d'unités de vote 20 fournit une redondance intrinsèque externe à chaque groupe G de stations-ballons garantissant une fiabilité de fonctionnement optimale. Chaque calculateur 1 5 a de plus la capacité de calcul au moins suffisante à celle nécessaire à la gestion d'un groupe ou constellation de stations-ballons.

Concernant le réseau de télécommunications entre les n stations- ballons 2A, 2B, 2C, ..., 2..., ..., 2n situées au-dessus d'une zone cible Z, mobile ou fixe, il peut être illustré de la manière indiquée sur la figure 4. Ces stations-ballons sont schématisées sous la forme d'un rectangle et, bien entendu, le réseau de télécommunications qu'elles forment est tridi- mensionnel et doit être maintenu en permanence entre celles-ci, du fait notamment que des vents peuvent faire varier la géométrie du groupe ou de la constellation des n stations-ballons. En conséquence, il convient de s'assurer que le graphe de communications formé par ces stations-ballons en liaison permanente, c'est-à-dire que deux quelconques desdites stations-ballons communiquent entre elles directement ou indirectement via des stations-ballons intermédiaires comme dans l'exemple illustré. Cette caractéristique de connexion relève de la topologie du graphe de communications et il faut s'assurer, du point de vue des performances de pilotage et de guidage des stations-ballons, que les changements géométriques maximaux tolérés ne mettent pas en défaut le caractère topologique du graphe connecté qui est visé.

Un logiciel approprié est prévu pour gérer les connexions en temps réel et assurer la connectivité du graphe de communications. On remarque aussi que la fiabilité intrinsèque d'un tel système n'est pas celle d'un système de redondances de 1 parmi n, mais qu'elle dépend de la configuration du graphe à un instant donné. Les techniques d'optimisation des réseaux télécoms développés en théorie des graphes pour s'assurer la rési- lience d'un réseau sont alors ici tout à fait applicables et peuvent utiliser, le cas échéant, les théorèmes de Menger. On a donc une nouveauté importante dans la mesure où le système a une fiabilité intrinsèque variable en fonction du temps, la variation dépendant de la variation topologique du graphe, laquelle dépend de la variation géométrique du groupe.

Avec le système de l'invention, on peut également prévoir sur les stations-ballons des équipements de télécommunications à destination des avions dont les vols passent à proximité des groupes de stations-ballons répartis de manière appropriée. Par exemple, on peut envisager des relais avec le sol ou entre les avions et d'autres services comme la diffusion de canaux de télévision, jeux, télécommunications téléphoniques mobiles avec les passagers, relais avec les satellites, ...