Brevet FR2257869A1 — publié le 19750808

La présente invention concerne un accumulateur d'énergie thermique sous forme d'eau surchauffée, destine par exemple, à la récupération de calories d'une centrale thermique classique ou nucléaire, pour le chauffage urbain. La présente invention a pour but de créer un accumulateur d'énergie thermique permettant de récupérer des calories habituellement perdues et rejetées dans l'atmosphère, ou en rivière, et de les utiliser au chauffage domestique sans diminuer la production électrique de la centrale aux heures de forte consommation. De plus, l'accumulateur proposé a Ilavantage, par rapport aux moyens d'accumulation existants, de pouvoir disposer d'une masse d'eau froide importante pour combattre immédiatement les effets d'une brèche se produisant dans les parois. A cet effet, l'invention concerne un accumulateur d'énergie thermique, caractérisé en ce qu'il se compose d'un réservoir séparé selon un plan horizontal, en deux compartiments, par une membrane, réservoir dont le compartiment supérieur, ouvert a l'air libre, reçoit une masse pesante sur une épaisseur telle qu'elle compense par sa pression uniforme sur la membrane, celle que l'eau surchauffée, stockée dans le compartiment inférieur, exerce sous la membrane, réservoir dont le compartiment inférieur est alimenté par un circuit de charge et alimente un circuit de décharge. Ainsi, comme l'eau surchauffée est stockée sous la membrane impermeable, isolante et transmettant la pres riion exercee par la masse pesante la recouvrant, elle n'entre pas en ébullition et est véhiculable par pompage. L'invention concerne également divers modes de réalisation. Suivant une première caractéristique, le réservoir est une cuvette en terre, de section circulaire qui présente donc l'avantage d'être réalisable de façon économique et sous forme de grand volume Suivant une autre caractéristique, la masse pesante est de l'eau froide1 sans caractéristique chimique particulière, donc peu coûteuse en fourniture. La présente invention sera décrite plus en détail å l'aide des modes de réalisation représentés schématiquement sur les dessins dans lesquels (les mëmes chiffres repré sentent les mêmes objets) - la figure 1 est une vue schématique de l'accumulateur, - la figure 2 est un schéma de fonctionnement de l'accumulateur, - la figure 3 est une coupe schématique d'un mode de réalisation de la membrane, - la figure 4 est une coupe schématique d'un autre mode de réalisation de la membrane, - la figure 5 est une coupe schématique d'un autre mode de réalisation de la membrane, - la figure 6 est une vue schématique d'un équipement destiné à assurer la stabilité de la membrane, - la figure 7 est une coupe schématique d'un autre mode de réalisation du compartiment inférieur. Selon la figure 1, l'accumulateur d'énergie thermique se compose d'un réservoir tronconique à section circulaire partiellement creusé dans le sol 1 séparé selon un plan horizontal, en deux compartiments A et B, par une membrane 4. Le compartiment supérieur A est délimité par son fond constitué de la membrane 4 et ses parois latérales 10. I1 est ouvert à l'atmosphère par la surface libre 20 de l'eau froide 3 qu'il contient. Le compartiment inférieur B est délimité par la membrane 4 en partie haute, le fond et les parois latérales 8 qui sont décrits plus en détail ultérieurement. Il constitue donc une enceinte fermée destinée à stocker l'énergie thermique sous forme d'eau surchauffée la partie haute du compartiment B est remplie d'eau surchauffée 5, par exemple à 1400C, la partie basse est remplie d'eau 7 à la température du retour de l'utilisation, 800C par exemple. L'effet de stratification dû à la différence de densité de l'eau surchauffée 5 et de l'eau 7 du retour de l'utilisation maintient l'eau la plus chaude à la partie supérieure La couche de transition 6 est sensiblement plane et d'une épaisseur de quelques décimètres. Cette surface se déplace vers-le bas si l'apport thermique de la source chaude 21 dépasse le prélèvement opéré par la source froide 22, et elle se déplace vers le haut dans le cas contraire. Le bassin, des forme circulaire, est réalisé par terrassement. Les déblais sont rassemblés sur la périphérie et constituent une digue 2. L'étanchéité est réalisée, pour les parois latérales 10 du compartiment A, en contact avec l'eau froide 3, au moyen des procédés traditionnels dans la construc tion des canaux ou barrages, pour les parois latérales et le fond 8 du compartiment B, en contact avec l'eau surchauffée 5, au moyen d'un film élastomère posé sur une couche de sable. Une variante à ce dernier type d'étanchéité consisterait a remplacer le film par une peau métallique auto- dilatable ancrée au sol par des massifs en béton. Une autre variante représentée à la figure 7 consiste à réaliser une cuvette en béton armé étanche 81 héris sée de parallèlépipèdes 82 quasi jointifs en béton de faible conductibilité (béton alvéolaire, autoclave, béton de ponce ou béton de laitier de haut fourneau). L'ensemble autodilatable est revêtu d'une peau lastique 83 assurant l'étanchéité, côté intérieur. Un circuit de refoidissement 84 refroidit la cuvette en béton armé pour. éviter des tensions préjudiciables a la tenue de l'ouvrage. la membrane 4 est composée d'un complexe qui lui permet d'assurer les fonctions suivantes : séparation phy sique de l'eau froide 3 et de l'eau surchauffée 5, isolation thermique limitant les pertes calorifiques de l'eau surchauffée, transmission de la pression de l'eau froide 3, à l'eau surchauf- fée. 5, de façon à éviter l'ébullition de cette derniere. Les modes de réalisation d'une telle mem brane sont décrits plus en détail aux figures n 3, 4, 5. ~~ Cette membrane es-t ancrée~à la paroi du réservoir sur sa périphérie, par exempleau moyen dune couronne en béton 9, de telle façon qu'elle constitue~une-séparation plane et horizontale En effet, le poids déjaugé de la membrane etant négligé, l'équilibre de celle-ci est obtenu lorsque les pressions sur et sous la membrane sont égales. La pression sous la membrane est celle de l'eau surchauffée et n'est pas fonction de la déformation de la membrane. Par contre, la pression sur la membrane est fonction de la hauteur d'eau froide : pour avoir équilibre de la membrane, il convient donc que sa face supérieure soit plane et horizontale. Dans le cas cité plus haut, (eau surchauffée du compartiment B à i400C), il est nécessaire d'avoir une hau teur d'eau de 30 mètres sur la membrane pour éviter l'ébullition de l'eau surchauffée, qui se produit à 1430C sous cette pression. Le compartiment B est alimenté par un cir cuit de charge qui comporte une prise d'eau 19 à la partie basse, une tuyauterie de liaison 18 vers la source chaude 21, une tuyau terie de retour 16 avec un rejet 17 à la partie haute étudié pour donner de faibles vitesses -et éviter des remous nuisibles au phéno mène de stratification. Le compartiment B alimente un circuit de -prélèvement qui comporte une pris d'eau 13 à la partie supé rieure, une tuyauterie de liaison 14 vers la source froide 22, une tuyauterie de retour 12 avec rejet 15 à la partie basse, de caractéristiques similaires à celles de 17. La figure 2, dans laquelle les mêmes chiffres représentent les mêmes objets qu'a la figure 1, donne un schéma de montage d'un tel accumulateur, avec le détail de montage de la source chaude et de la source froides Dans le cas envisagé, la source chaude 21 - est constituée par-de l'énergie thermique récupérée sur un groupe turboalternateur 2-5-26- alimenté en vapeur par une- chaudière nu cléaire 29.On fait circuler, grâce à la pompe 24, à travers - l'échangeur 23', 1'eau a surchz > xffer. Le montage permet donc de récupér-er la plus grande partie de l'énergie dégradée habituelle -ment perdue au condenseur 23 de l-a turbine 25. il nécessite cependant un soutirage 28 de vapeur à la turbine afin d'élever, grâce a l'échangeur 23', la température de- l'eau de l'accumula teur à la température désidérée.Ce soutirage, qui entraîne une perte de puissance å la turbine 25, donc une perte dans la production en Kwh de l'alternateur 26, sera effectué durant les heures creuses de consommation électrique afin de minimiser le coût de la perte de~production. La source froide 22 est constituée par une boucle 36 de chauffage urbain, qui peut être reliée soit direc tement, soit par l'intermédiaire d'un échangeur 32. On fait circuler, grâce à la pompe 31, à travers l'échangeur 32, l'eau surchauffée qui cède ses calories. Le réservoir 3, qui joue le rôle d'un vase d'expansion, est relié à la canalisation 12, d'une part par une tuyauterie avec vanne 34, d'autre part par une pompe 35. En période de charge de l'accumulateur, la vanne 34 s'ouvre pour évacuer l'excédent de volume dû à la dilatation de lteau entre la température de surchauffe et la température de retour d'utilisation. En période de prélèvement, la pompe 35 réinjecte dans le circuit l'eau stockée durant la phase précédente. Ainsi la variation de volume due à la dilatation de l'eau est absorbée dans le réservoir 33 permettant ainsi de garder le compartiment Bà volume constant et par conséquent de maintenir en position plane et horizontale la membrane de séparation 4. La figure 3 représente un mode possible de réalisation de la membrane 4. Une plaque métallique 40 de quelques millimètres d'épaisseur reçoit sur sa sous face une protection calorifuge 41 en élastomère résistant à la température de l'eau surchauffée 5 (par exemple 14o0C) et peu compressible, tel que du Butyle par exemple. Quelques centimètres donnent une isolation suffisante, l'épaisseur à retenir résulterait d'un calcul écognomique La plaque métallique est tendue au montage de façon à rester plane lors des faibles variations de températures saisonnières de l'eau froide 3 du compartiment A. (Compte tenu de la protection apportée par la couche d'élastomère, la membrane métallique est sensiblement à la température de l'eau froide). Elle est ancrée sur sa périphérie à un -anneau de béton 9 reprenant l'ensemble des tensions de la membrane. La figure i représente un autre mode possi ble de réalisation de la membrane 4. Une plaque métallique tendue 40 de quelques millimètres d'épaisseur surmonte un matelas calorifuge 42, par exemple en laine de verre, laine de roche, ou mousse de styrene, mousse de polyuréthane et une membrane élastique 43. L'espace 44 compris entre la membrane élastique et la plaque est gonflé à une pression égale à celle exercée par 1 'eau au niveau de la membrane (soit 3 bars dans le cas d'eau surchauffée a 1400C), afin d'éviter l'écrasement du matelas calorifuge. Comme ci-dessus, un anneau en béton 9 est nécessaire pour reprendre les efforts exercés parla membrane métallique et la membrane élastique. La figure 5 représente un autre mode possible de réalisation de la membrane 4. Une structure métallique 47 reçoit à sa partie supérieure la plaque métallique 40 et supporte par 1 'in- termédiaire de tirants 46 en téflon par exemple pour éviter les ponts thermiques, un peau métallique gaufrée 45. L'espace 44 est rempli de panneaux isolants 42 et gonflé comme ci-dessus. La peau gaufrée est autodilatable. L'ensemble du disque est relié aux parois du bassin par une liaison élastique 48. Un dispositif comprenant un guide 49 solidaire de-l'anneau 9 et une tige 49' se logeant dans le guide assure le centrage de la membrane 4. La figure 6 représente un moyen d'assurer la stabilité de la memErane, dans le cas où elle n'est pas-rigide. La membrane 4 doit constituer une structure stable, c'est-à-dire que lors d'une déformation fortuite, des forces suffisantes doivent s'exercer pour s'opposer à la défor matiom et lå limiter. Parmi ces forces, les forces hydrostati ques ont un effet destabilisant. A titre d'illustration, considérons la déformztion d'une région de la membrane, telle que représenté à la figure 6, et une surface élémentaire cs,de la région déformée.Cette surface élqmentaire, qui se trouve écartée du niveau moyen de la membrane d'une hauteur hH se trouve soumise par rapport aux autres surfaces élémentaires de la région non déformée a une pression différentielle supplémentaire égale à Cette pression est dirigée du bas vers le haut siDn est positif et tend à accentuer la déformation. Pour lutter contre un phénomène d'instabilité, on peut rééquilibrer la membrane au moyen du stabilisateur représenté sur la figure 6 v Considérons une zone de la membrane qui, compte tenu de la rigidité de la membrane et des dimensions de la zone est stable, prise isolément, c'est-à-dire que les forces nécessaires pour déformer cette zone sont supérieures aux forces hydrostatiques résultant d'une déformation Relions le centre de gravité de cette zone a un flotteur 50 par un câble 51 et ajustons la longueur du câble pour que la poussée du flotteur à demi-immergé équilibre le poids apparent du câble du lest 52 et de la zone considérée. En cas de déformation de la membrane se traduisant au niveau de la zone considérée par une dénivellation #H, de poussée du flotteur varie de Si l'on désigne par la section du flotteur, la surface de membrane affectée â un flotteur, la déformation de la membrane, la masse volumique de l'eau froide 3, la masse volumique de l'eau surchauffée 5, l'accélération de la pesanteur. La condition de stabilité s'écrit : Selon une autre variante de cet accumulateur, l-teau froide 3 qui exerce la pression uniforme sur la membrane 4 horizontale et plane peut être remplacée par un autre liquide pesant Un liquide tel que la bentonite présente l'avantage- autre plus dense que l'eau, donc de nécessiter un volume plus faible pour obtenir la même pression, et de plus, d'éviter la mise en place sur la paroi 10 d'und'un complexe d'étanchéité. Selon une autre variante de cet accumulateur, la masse pesante contenue dans le compartiment supérieur est supprimée. L'accumulateur peut fonctionner jusqu'â une température de 1000 de 1-'eau 5. La membrane 4 ne joue plus qu'un rôle de séparation physique avec l'atmosphère pour éviter 1'oxygénation et les déperditions calorifiques. De plus, la membrane 4 réalisée selon la figure 5 permet d'éliminer le vase d'expansion en autorisant son mouvement vertical d'ensemble. Un exemple de dimensionnement d'un tel accu mulateur est donné ci-après. Dans le cas envisagé, le compartiment B a un diamètre moyen de 107 m, (102 m au fond, 112 au niveau de la 2 membrane) correspondant à une surface moyenne de 9 000 m Le volume du compartiment A, pour une épaisseur d'eau froide 3 de 30 m est de 500 000 m3. Celui du compartiment B, pour une épaisseur de 20 m est de 180 000 m3, soit un volume utile disponible de 144 000 m3 pour l'eau surchauffée, correspondant à une masse de 133 000 tonnes d'eau. La réalisation d'un tel bassin, dans le cas où les déblais sont utilisés en digue, nécessite un mouvement de terre de 400 000 m3 environ. Pour les températures d'utilisation citées plus haut, soit 140 C au départ et 80 C au retour, la quantité de chaleur accumulée est de 133 000 (140 - 80 ) = 8 000 000 thermies. Restituée en 16 heures, la puissance dispo nible est de 500 000th/h. Un appartement représentant une puissance moyenne consommée de 10 th/h, l'accumulateur est capable d'alimenter 100 000 logements, soit une ville de 400 000 habitants environ, jusqu'à 50 % de la puissance maximale appelée et est complété au-delà par des installations thermiques conventionnelles. La puissance prélevée pendant 8 heures est de 24 x 500 000 = 1 500 000 th/h 8 ce qui correspond sensiblement à ce qui peut être prélevé sur le groupe turboalternateur d'une tranche nuCléaire de 900 MW éLectriques. Cette puissance de 50 % utilisee en base, permet de produire environ90 % de la chaleur consommée annuel lement pour le chauffage. - Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation ci-dessus décrits et représentés, à partir desquels on pourra prévoir d'autres modes de réalisation, sans pour cela sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 10) Accumulateur d'energie thermique sous forme d'eau surchauffée, permettant notamment la récupération de calories d'une centrale thermique classique ou nucléaire pour le chauffage urbain, accomulateur caractérisé en ce qu'il se compose d'un réservoir séparé selon un plan horizontal, en deux compartiments, par une membrane, réservoir dontle compartiment supérieur, ouvert à l'air libre, reçoit une masse pesante sur une épaisseur telle qu'elle compense par sa pression uniforme sur la membrane, celle que l'eau sur chauffée, stockee dans le compartiment inférieur, exerce sous. la membrane, réservoir dont Te compartiment inférieur est alimenté par un circuit de charge et alimente un circuit de décharge. 20) Accumulateur, selon la revendication l, caractérisé en ce que la membrane de séparation est imperméable, isolante thermiquement et transmet la pression. 30) Accumulateurs selon la-revendication l, caractérisé en ce que le réservoir est une cuvette en terre, de section circulaire. 40) Accumulateur, selon~la revendication l caractérisé en ce que la masse pesante du compartiment supérieur est un liquide, par exemple de l'eau froide ou de la bentonite. 50) Accumulateur, selon l'une quelconque des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que le compartiment contenant l'eau froide est délimité par la membrane formant le fond et par des parois réalisées selon les procédés pour les canaux ou les barrages. 60) Accumulateur, selon la revendication 3, caractérisé en ce que le compartiment contenant l'eau surchauffée est délimité par la membrane et un film élastomère posé sur une couche de sable au fond et sur les parois de la cuvette. 70) Accumulateur selon la revendication 3, caractérisé en ce que le compartiment contenant 17eau surchauffée est délimité par la membrane et une peau gaufrée autodilatable ancrée sur des massifs en béton au fond et sur les parois de la cuvette. 80) Accumulateur, selon la revendication 3, caractérisé en ce que le compartiment contenant l'eau surchauffée est constitué d'une cuvette en béton armé recouverte d'un revêtement autodilatable constitue de parallélépipèdes en béton, non jointifs et étanché par une feuille d'élastomère. 90) Accumulateur, selon la revendication 2, caractérisé en ce que la membrane est métallique, tendue, avec en sous face un élastomère résistant à la température de l'eau surchauffée. 100) Accumulateur, selon la revendication 2, caractérisé en ce que la membrane est composée dtune plaque supérieure métallique, d'une membrane élastique inférieure séparées par un matelas calorifuge gonflé à une pression égale à celle exercée par l'eau pour éviter ltécrasement. 110) Accumulateur, selon l'une quelconque des revendications 9 et 10, caractérisé en ce que la membrane est munie d'un ancrage périphérique reprenant les efforts de traction. 120) Accumulateur, selon la revendication 2, caractérisé en ce que la membrane comprend, d'une part, une structure métallique rigide, supportant une membrane supérieure métallique et, d'autre part, une peau métallique inférieure gaufrée, la membrane supérieure et la peau étant séparées par un matelas calorifuge gonflé à une pression égale à celle qu'exerce L'eau pour éviter l'écrasement du matelas calorifuge. 130) Accumulateur, selon la revendication 12, caractérisé en ce que la membrane est fixée à la paroi du réservoir par une liaison élastique. li ) Accumulateur, selon l'une quelconque des revendications 2 ou 4, caractérisé en ce qutil comprend un moyen de rééquilibrage de la membrane pour assurer sa stabilité dans sa position horizontale théorique, ce moyen étant constitué par exemple de flotteurs reliés chacun par un câble à des lests situés au niveau de la membrane, la longueur des câbles étant ajustée de façon que la poussée de chaque flotteur équilibre le poids apparent du câble, du lest et de la portion de membrane intéressée. 150) Accumulateur, selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit de charge se compose d'une prise d'eau à la partie basse du compartiment inférieur, d'un rejet à la partie haute du même compartiment, assurant de faibles vitesses et évitant des remous pour permettre la stratification, et d'un circuit extérieur à l'accumulateur relié à une source chaude. 160) Accumulateur, selon la revendication l, caractérisé en ce que le circuit de décharge se compose d'une prise dteau à la partie haute du compartiment inférieur, d'un rejet à la partie basse du même compartiment, assurant de faibles vitesses et évitant des remous pour permettre la stratification, et d1un circuit extérieur à ltaccumulateur relie à une source froide. 170) Accumulateur, selon la revendication l, caractérisé en ce que la masse pesante du compartiment supérieur est supprimée et en ce que la membrane est autorisée à se déplacer verticalement tout en restant horizontale.