Brevet FR2270442A1 — publié le 19751205

L'invention a pour objet des procédés, et leur mise en oeuvre, pour la produc tion, le stockage, et la distribution d'énergies. Dans l'état actuel de la technique connue, il existe des procédés dits d'énergie totale, oui utilisent des équipements thermodynamiques, chaudières à vapeur, turbines à vapeur, turbines à gaz, chaudieres de récupération, pour produire de l'énergie mécanique, de l'énergie électrique, de l'énergie calorifique, et par fois de l'énergie frigorifique. Les besoins des utilisateurs étant très variables au cours de la journée, de la semaine, de l'année, soulèvent le problème essen tiel de faire concorder la production et la consommation. On cannait par ailleurs des procédés géothermiaues, qui sont basés sur l'utilisa tion de l'énergie calorifique de nappes d'eau souterraines, profondes et chau des, cette utilisation se faisant directement ou par l'intermédiaire de pompes de chaleur. Toutefois cette énergie géothermique est limitée en quantité par le faible gradient thermique des couches profondes capables de céder de la chaleur à l'eau qui y circule, et en qualité par la température de l'eau (ou de sa va peur) qui interdit toute production d'énergie électrique dans des conditions ac ceptables. Succinctement, les procédés selon l'invention prévoient d'injecter de l'eau chaude dans des nappes d'eau souterraines et profondes, soit pour maintenir chaude cette eau ou même la chauffer davantage, soit pour la refroidir, et éven tuellement transporter cette eau en veine profonde, éventuellement avec stocka ge. Bien entendu les procédés selon l'invention peuvent se combiner et coopérer avec les procédés connus, et en particulier avec les susdits procédés d'energie totale et/ou les susdits procédés géothermiques. Il est clair que les procédés selon l'invention permettent : par ledit stockage d'eau chaude, d'harmoniser la production d'énergie et sa consommation, et de produire de l'énergie aux heures les plus économiques par par ledit transport d'eau chaude, de faciliter les apports et la distribution d'énergie calorifique et par ledit transport d'eau chaude refroidie, de faciliter les apports et la cLstribution d'eau froide. L'invention sera decrite en se référant aux figures suivantes, données à titre d'exemples non limitatifs - la figure 1 est une coupe verticale schematisant la combinaison et la coopéra tion des procédés selon l'invention avec lesdits procédés d'énergie totale et géothermiques - la figure 2 schématise, en perspective une région urbaine et la nappe pro fonde géothermique lui correspondant, avec des centrales et des zones d'utilsa- tion appliquant l'invention. Avec référence à la figure 1 : cet ensemble intégré, appliquant les procedes selon l'invention, comprend au moins une centrale thermique 1 à combustible fossile ou nucléaire, dont le poste de condensation 2 est alimenté en eau de refroidissement par une rivière 3 et/ou par un réseau d'eau froide 4 et/ou depuis des nappes souterraines froides 5 par des puits 6 ; son eau chaude, vers 80 à 1200 centigrades, est évacuée par un réseau d'eau chaude 7, éventuellement avec des réservoirs d'eau chaude 8 et/ou vers des nappes profondes 9 par des puits il ; l'eau chaude utilisée par la zone urbaine 12 (besoins industriels, collectifs, individuels) est distribuée par ledit réseau d'eau chaude 7 et/ou lesdites nappes profondes 9 par des puits artésiens 14 ; les eaux utilisées, et donc refroidies, sont évacuées vers la rivière 3 et/ou par ledit réseau d'eau froide 4 et/ou vers lesdites nappes souterraines froides 5 par des puits 15. Ces divers moyens de transfert et d'accumulation sont utilisés en fonction des conditions hydrologiques, climatiques, géothermiques, etc..., en raison de leurs caractéristiques de calcul et de leurs régimes en exploitation ; on peut en outre utiliser des pompes de chaleur (non représentées), pour valoriser les moyens disponibles lorsque le court de l'énergie électrique est favorable, par exemple aux heures creuses et/ou nocturnes. Par ces moyens, l'invention réalise un ensemble intégré de systèmes de production d'énergies électrique et calorifique et de systèmes de distribution et stockage d'énergie calorifique, permettant d'utiliser l'énergie des combustibles dans les meilleurs conditions de rendement global moyen ; le but final atteint est de parvenir à une réduction maximale de la consommation du pays en combustible, non seulement par rapport au système habituel des productions séparées, mais aussi par rapport aux systemes d'énergie totale, et encore par rapport aux systèmes géothermiques. A titre d'exemple purement indicatif, on comparera ci-dessous les bilans énergétiques de deux centrales à combustible fossile, l'une étant une centrale électrique classique (tableau 1) et l'autre etant une centrale à énergie totale selon l'invention (tableau 2). Tableau 1 Pour un kwh en kcal/kWh - entre i sortie Combustible - 2 250 - - Energie électrique - 860 38,0 Pertes cheminée - 225 10,0 Pertes eau condenseur - 1 165 52,0 Total 2 250 2 250 100 Tableau 2 Pour un kwh en.kcaVkwh entrée sortie Combustible 2800 - 100 Energie électrique 1 kWh commer- cialisée - 860 31,0 Energie calorifique eau 1000C commercialisée 1 660 59,0 Pertes cheminée (280) à répartir part électricité - 95 3,5 part chaleur - - 185 6,5 Total 2800 - 2 800 Ce bilan peut s'écrire également Tableau 3 Pour un kWn en kcal/kWh et % entrée sortie Combustible 2800 - 100 Part combustible pour 1 kWh - 955 34 Part combustible pour l'eau 100 C - 1 845 66 Balance 2800 2 800 100 La production d'un kWh coûte donc, dans la centrale selon l'invention, 955kcal/h en combustible, ce quiefortement avantageux par rapport à la centrale classique. Les rendements en électricité sont de . pour la centrale selon l'invention : 860 soit environ 90%. 955 . pour la centrale classique : 860 soit environ 38%. 2250 Le meilleur rendement de la production d'énergie électrique selon l'invention se traduit dans les bilans économiques, exprimés en centimes par kWh, selon le tableau 4. Tableau 4 Centrale Centrale selon En centime/kwh classique classique l'invention Investissements 1,50 1,80 Exploitation non combustible 1 0,90 1,08 Combustible 5,80 7,00 Total 8,20 9,88 Ristourne chaleur conrmercialisee 2,5 c x 1,660 thermie 4,15 Prîx de revient du kwh 8,20 5,73 Encore à titre d'exemple purement indicatif, on comparera ci-aprbs deux centrales à combustible nucléaire, l'une étant une centrale classique et l'autre étant une centrale selon l'invention.Les bilans énergétiques sont donnés par le tableau 5. Tableau 5 Centrale Centrale Centrale selon Pour 1 kWh en kcal/kW classique l'invention - énergie électrique 860 860 - énergie calorifique 1 440 2040 - consommation interne i loo- 100 kcal 2 400 3 000 Dans la centrale nucléaire classique, l'énergie calorifique est perdue sous forme d'eau chaude rejetée à la rivière ou à la mer, tandis que dans la centrale selon l'invention l'énergie calorifique est récupérée sous la forme d'eau de chauffage à 1000C qui est commercialisée. Les bilans économiques sont donnés par le tableau 6. Tableau 6 Pour 1 kWh en centime/kWh Centrale Centrale selon classique l'invention Investissements 2,45 3,20 - Charge exploitation - Combustible 0,95 1,25 4,35 5,70 - Ristourne chaleur commerciali sée 2,5c x 2,040 thermie - 5,00 - Coût résultant 4,35 0,70 On constatera ainsi que le procédé selon l'invention, qui consiste à utiliser la chaleur produite par de 11 eau chaude å lo00C, est très intéressant puisqu'il permet de réduire les coûts spécifiques du kwh de 8,20c à 5,73c dans le cas de centrales à combustibles fossiles et de 4,35c à 0,70c dans le cas des centrales à combustible fissiles. La distribution de l'énergie calorifique des centrales par eau chaude est facile. Dans le cas de conduites de surface, elles ont des diamètres faibles, soit environ l,ZOm pour une centrale de 500 MW, par ailleurs les déperditions calorifiques sont faibles, de l'ordre de 0,50C pour 25 km pour la même conduite. Dans le cas de la transmission et du stockage en utilisant les nappes prodondes géothermiques, l'invention utilise un moyen tres économique, puisqu'il n'est pas nécessaire de constituer un réseau de surface, mais seulement des puits pour l'injection de l'eau chaude et des puits pour la récupération de l'eau chaude, le transport se faisant par les nappes profondes On remarquera de plus que ce stockage présente de très grandes possibilités : à titre d'exemple purement indicatif, le stock d'eau chaude à constituer pour le service d'un hiver de la région parisienne correspond à l'équivalent de 10 millions de tonnes de fuel, c'est-à-dire, à raison de 10 thermies par kilogramme, à 100 milliards de thermies, c'est-à-dire encore, a raison de 100 thermies par mètre cube d'eau à 100 degrés centigrades, à 1 milliard de mètres cubes ou 1 kilomètre cube d'eau ; or le bassin géothermique de la région parisienne a une surface de l'ordre de 7000 kilomètres carrés, et pour y stocker 1 kilomètre cube d'eau il suffit d'une couche d'épaisseur moyenne de 14 centimetres. On décrira maintenant, en se référant à la figure 2, un exemple concret, donné à titre non limitatif, d'une application de l'invention, limitée à quelques centrales et quelques zônes d'utilisation pour faciliter l'intelligence de la description : la figure 2 est, à sa partie supérieure, la perpective d'une région urbaine, et sa partie inférieure correspond à la nappe profonde géothermique, qui dans la région parisienne est à une profondeur d'environ 2000 mètres. Cette région urbaine comprend, autour d'un fleuve 301 et de ses affluents 302 à 304, des centrales thermiques 101 à 107, et des zônes urbaines 121à 131.Chaque centrale thermique 101 à 107 évacue son eau chaude par un puits 111 à 117, qui peut être vertical (comme représenté pour le puits 112 de la centrale 102) ou oblique ou multiple (comme représenté pour le puits 111 de la centrale 101), et aboutit à la nappe profonde 901 à 907. Chaque zône urbaine 121 à 131 reçoit son eau chaude d'un puits, artésien ou non, 141 à 151, vertical (puits 142) ou oblique ou multiple (puits 141), venant de la nappe profonde 921 à 931. Ce dispositif d'échange et de transfert surface - nappe profonde - surface peut être bien entendu complété par des réseaux de conduites de surface (non représentés). Les rivières 301 à 304 peuvent servir pour évacuer les eaux chaudes refroidies dans les zones d'utilisation 121 à 131. Les eaux des rivières peuvent fournir des appoints vers les centrales 101 à 107, à condition d'être traitées pour être de la qualité eau de ville. REVENDICATIONS 1 - Procédés pour la production, le stockage et la distribution d'énergies, caractérises en ce que l'eau chaude est injectée dans des nappes souterraines pour échauffer l'eau de la nappe et/ou la maintenir chaude et/ou la réchauffer davantage, et/ou la transporter de 11 endroit d'injection (11) de ladite eau chaude vers l'endroit d'utilisation (14), éventuellement avec stockage. 2 - Procédés selon la Revendication 1, caractérisés par leur combinaison et leur coopération avec les procédés dits d'énergie totale, qui utilisent des équipements thermodynamiques, chaudières à vapeur, turbines à vapeur, turbines à gaz, chaudières de récupération, centrales nucléaires. 30- Procédés selon la Revendication 1 ou 2, caractérisés par leur combinaison et leur coopération avec les procédés géothermiques, qui utilisent l'énergie calorifique de nappes a d'eau souterraines, profondes et chaudes, soit directement, soit par l'intermédiaire de pompes de chaleur 40- Appareillage pour la mise en oeuvre des procédés précisés dans l'une des Revendications 1 a 3 ci-dessus.