Brevet FR2442761A1 — publié le 19800627

La présente invention concerne les plates-formes pour l'exploitation de l'énergie thermique des mers, et plus particulièrement celles du type comportant une structure flottante prolongée vers le bas par un tube plongeur prélevant l'eau froide, ladite structure supportant au moins deux modules de puissance comportant chacun un évaporateur et un condenseur ainsi que des pompes de circulation d'eau froide et d'eau chaude, chaque module de puissance étant relié à un groupe turbo-générateur. Tous les projets connus actuellement en cours d'étude et/ou de réalisation proposent des solutions techniques utilisant le principe du physicien Arsène d'Arsonval, conforme au principe de Carnot, qui suggère de faire fonctionner une machine thermodynamique en prenant comme source chaude 1 'eau de surface des océans, et comme source froide l'eau des profondeurs marines soustraites en permanence à l'influence du soleil. Les principaux dispositifs flottants connus et étudiés pour la transformation de l'énergie thermique des mers en énergie cinétique utilisable sont divisés en plusieurs groupes selon les différents types de support flottant envisagés - les bateaux ou barges dont la surface de flottaison s'apparente à un rectangle, - les flotteurs circulaires dont la forme générale s'apparente à une galette, et dont la surface de flottaison est un cercle de grande dimension, - les flotteuzs en forme de sphère, - les flotteurs en forme de cylindres submersibles, - les flotteurs en forme de colonne verticale, - les structures semi-submersibles. L'expérience a montré que ce dernier type de support par structure semisubmersible présentait de nombreux avantages, et en particulier celui de mieux se comporter à la houle qu'une structure flottante à large surface de flottaison. Deux projets intéressants ont été déjà proposés dans cette direction. Tout d'abord, il a été proposé une station semi-submersible du type perche de Froude. Une structure cylindrique en béton, prolongée vers le bas par un tube plongeur également en béton prélevant l'eau froide, sert de support à quatre modules identiques disposés à sa périphérie et comportant chacun un évaporateur et un condenseur et séparés par un groupe turbo-générateur à flux axial. Ces modules sont amovibles et peuvent faire l'objet d'un échange standard.Cet intéressant projet présente cependant les inconvénients suivants - absence de moyens autonomes de remplacement ou de manutention des modules, - accouplement des modules sous l'eau nécessitant l'emploi de scaphandriers, - complexité des procédures pour éviter la pollution des circuits de gaz par l'eau de mer au cours des manoeuvres de remplacement des modules, - complexité des circuits, - groupe turbo-générateur à moteur immergé, ce qui implique une fiabilité discutable et l'interdiction d'entretien en cours d'exploitation, - échangeurs (condenseur et évaporateur) de conception très sophistiquée, - vulnérabilité des modules disposés à la périphérie et donc susceptibles d'être endommagés par heurt de corps flottants, - stabilité de la plate-forme compromise en cas de voie d'eau dans un compartiment périphérique, - déséquilibre de la structure lors de l'enlèvement d'un module. Signalons que cette structure utilise un circuit fermé de fluide oryo- génique qui est l'ammoniaque, l'eau circulant à l'intérieur des tubes des échangeurs et l'ammoniaque à l'extérieur. Il a été également proposé une plate-forme dont le support est une structure en béton, mais il s'agit d'une plate-forme en surface de forme circulaire, comportant quatre groupes évaporateurs, turbo-générateurs et condenseurs. Ces groupes ne sont pas traités comme des modules interchangeables comme dans le projet précédent, mais sont intégrés à la coque dans quatre salles de machines. Cette plate-forme utilise aussi un circuit fermé d'ammoniaque. Cependant, en plus du fait que ce type de plate-forme est soumis à des mouvements importants sous l'effet de la houle, ce projet offre les inconvénients suivants - condenseurs et évaporateurs de conception très sophistiquée, - circuits de gaz cryogénique et de circulation d'eau nombreux et complexes, - démontage et remplacement des éléments de groupes intégrés compliquées à cause de la présence de nombreux circuits et de leur connexion aux éléments en cause, - stabilité non assurée en cas de dommage d'un compartiment (voie d'eau). Les autres projets connus, qui diffèrent par le type de structure flottante servant de support aux groupes de puissance et par la disposition des éléments constitutifs des groupes, possèdent aussi, à des degrés divers, les inconvénients précités. La présente invention a pour objet de proposer une plate-forme plus performante, réduisant voire supprimant les inconvénients précités des platesformes antérieures, tout en restant de conception simple et d'un coût de réalisation et d'entretien relativement modéré. Il s'agit plus particulièrement d'une plate-forme pour l'exploitation de l'énergie thermique des mers, comportant une structure flottante prolongée vers le bas par un tube plongeur prélevant l'eau froide, ladite structure supportant au moins deux modules de puissance comportant chacun un évaporateur et un condenseur ainsi que des pompes de circulation d'eau froide et d'eau chaude, chaque module de puissance étant relié à un groupe turbo-générateur, caractérisée par le fait que la structure support présente des cellules ouvertes recevant les modules de puissance et que chaque module a ses éléments constitutifs disposés verticalement l'un au-dessus de l'autre de façon à constituer un ensemble cylindrique traversant de part en part la structure support. La plate-forme de l'invention peut présenter en outre l'une au moins des caractéristiques suivantes - la structure support est semi-submersible, et comporte une embase alvéolaire en béton surmontée de colonnes portant un pont de travail hors-d'eau, chaque module traversant de part en part ladite embase et ledit pont de travail, - chaque module est intégré dans une tour mobile de façon à constituer une cartouche pouvant se déplacer verticalement par des moyens de levage portés par la structure support: la tour mobile porte avantageusement des moyens d'appui sur la structure support permettant de soulager en service les moyens de levage, - les rouets de pompe de circulation d'eau froide et d'eau chaude sont pour chaque module entraînés par un arbre commun sensiblement vertical, - chaque module comporte un circuit pour le passage d'un fluide cryogénique, se fermant sur la turbine du groupe turbo-générateur associé ; de préférence, la portion du circuit convoyant le gaz détendu vers le condenseur comprend un conduit intérieur à l'arbre d'entraînement des rouets de pompe et coaxial à celui-ci, - dans ce cas, la portion du circuit convoyant le gaz comprimé vers la turbine du groupe turbo-générateur associé comprend un séparateur constitué par un volume annulaire creux dont la surface extérieure tournée vers son axe est un venturi pour le rouet de pompe de circulation d'eau chaude, - un déflecteur oblique solidaire de la tour mobile est prévu entre la partie inférieure de l'évaporateur et le rouet de pompe de circulation d'eau froide, de façon que d'une part l'eau chaude ayant traversé l'évaporateur soit évacuée par le fond ouvert d'une cellule voisine de l'embase alvéolaire de la structure support, et que d'autre part l'eau froide venant du tube plongeur soit dirigée vers le rouet de pompe associé puis vers la partie supérieure du condenseur, - le condenseur et l'évaporateur de chaque module sont coaxiaux à l'arbre commun d'entratnement des rouets de pompes de circulation d'eau froide et d'eau chaude ; avantageusement, les tubes du condenseuret de l'évaporateur, encastrés en leurs extrémités dans des plaques de tete circulaires, sont répartis de façon que soit ménagé un accès circulaire central pour le passage de l'arbre d'entraînement des rouets de pompe et/ou du conduit acheminant le fluide cryogénique basse pression, - le tube plongeur amenant l'eau froide débouche dans une cellule centrale de 1' embase alvéolaire de la structure, ladite cellule communiquant avec les cellules de ladite embase dans lesquelles passe un module ; de préférence, le tube plongeur est solidarisé à 1 'embase alvéolaire selon une liaison souple autorisant un certain débattement dudit tube par rapport à la structure support, la cellule centrale est obturée en sa partie supérieure par un couvercle étanche, auto-flottant et submersible, et les communications entre la cellule centrale et les cellules dans lesquelles passe un module sont obturables par une porte mobile. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaltront plus clairement à la lumière de la description qui va suivre, donnée à titre illustratif mais nullement limitatif, en référence aux figures du dessin annexé, où - la figure 1 est la vue en perspective d'une plate-forme à six modules conforme à l'invention, - la figure 2 est une coupe de la plate-forme de la figure 1, passant par l'axe de deux modules, - la figure 3 est une coupe analogue à celle de la figure 2, mais illustrant l'intégration des modules dans une tour mobile verticalement, - la figure 4 est la coupe d'un module, à plus grande échelle. Figure 1, la plate-forme de l'invention apparait dans son ensemble. La plate-forme comporte une structure flottante 1 prolongée vers le bas par un tube plongeur 2 prélevant l'eau froide, ladite structure supportant au moins deux (ici six) modules de puissance 3 sur la conceptio Sdesquels il sera ultérieurement revenu en détail. Conformément à l'invention,/structure support 1 présente des cellules ouvertes recevant les modules de puissance, et chaque module 3 a ses éléments constitutifs disposés verticalement l'un au-dessus de l'autre de façon à constituer un ensemble cylindrique traversant de part en part la structure support.Il est avantageux de prévoir que la structure support 1 soit semisubmersible, et comporte une embase alvéolaire en béton 4 surmonté de colonnes 5 (de préférence en béton) portant un pont de travail hors-d'eau 6, chaque module 3 traversant alors de part en part ladite embase et ledit pont de travail. Signalons que le choix du béton offre en outre l'avantage, par rapport aux structures métalliques connues, de l'invulnérabilité aux corrosions, ce qui supprime toute sujétion de carénage et d'entretien. La structure 1 est par ailleurs ancrée au moyen de lignes d'ancrage 7, ou encore positionnée dynamiquement par un système de tuyères orientables télécommandées et asservies, qui utilise la puissance résiduelle de l'eau de circulation à la sortie des échangeurs, sur des fonds supérieurs à 600 mètres, et de préférence en zone océanique tropicale car les écarts de températures y atteindront couramment 200C. Ainsi qu'on va le voir, la plate-forme de l'invention se différencie nettement des réalisations antérieures par la conception et la disposition de ses éléments constitutifs essentiels utilisés pour la transformation de l'énergie potentielle thermique des mers en énergie cinétique. Cette transformation peut s'effectuer en cycle fermé, en utilisant un fluide cryogénique de caractéristiques adaptées aux températures des sources chaudes et froides disponibles, et c'est ce qui va être décrit car l'invention apporte dans ce cas des avantages importants, mais il va de soi que l'homme de l'art adaptera aisément cette conception pour une transformation en cycle ouvert utilisant très classiquement les propriétés de la vapeur d'eau Le type de support préférablement choisi, se rapprochant des structures offshore en béton pour l'exploitation pétrolière, offre de nombreux avantages en particulier, étant semi-submersible, il aura un bon comportement à la houle, et présentera une stabilité parfaitement contrôlable par ballastage d'une ou plusieurs cellules de l'embase alvéolaire judicieusement choisies. Par ailleurs, la conception alvéolaire de l'embase se prête tout particulièrement au fractionnement de la puissance totale en plusieurs tranches semblables de plus faible capacité qui constituent les modules de puissance que supporte la structure, et permet de ménager facilement le passage des différents modules. Ainsi que cela apparat sur la figure 1, chaque module 3 peut être intégré dans une tour métallique, de section préférablement carrée, l'ensemble constituant une cartouche et pouvant se déplacer verticalement par des moyens de levage portés par la structure support, ladite tour passant par une cellule ouverte de l'embase alvéolaire de ladite structure ; ces moyens peuvent être des vérins, crémaillères, treuils et câbles, ou tout dispositif équivalent : ici, on a illustré des engrenages 8 portés par le pont de travail 6 et coopérant avec des crémaillères prévues aux bords de la tour métallique. Cette conception rend alors très aisées les opérations de montage et d'entretien, le hissage d'un module n'altérant par ailleurs aucunement la stabilité de la plate.forme. Figures 2 et 3, l'embrase alvéolaire 4 est munie d'un large trou circulaire central d'accès d'eau froide 9. Ce trou central sert de chambre de distribution d'eau froide vers les cellules dans lesquelles passe un module. Son orifice supérieur est obturé après l'opération de mise en place du conduit d'aspiration d'eau froide 2, par un opercule étanche 10, qui est préférablement du type bateau-porte ballastable, donc auto-flottant et submersible. Naturellement, les alvéoles qui recoivent les modules de puissance 3 ne comportent ni radier, ni toit, pour permettre un libre mouvement vertical des tours métalliques. Les colonnes creuses en béton 5, supportant le pont 6 qui peut être en acier ou en béton, sont aménagées pour recevoir le système d'immersion et de ballastage, les équipements d'utilité tels que pompes d'incendie, pompes de service (refroidissement, lavage, eau potable...), les stockages de charges variables tels que eau douce, combustibles, huiles, liquide cryogénique, etc.. Les colonnes comportent avantageusement une double cloison 30 dans la zone de flottaison en situation de- travail, garantissant la stabilité de l'ouvrage en cas de choc en évitant l'inondation complète d'une colonne. Le conduit d'aspiration d'eau froide 2 est souple et préférablement fabriqué en matière synthétique armée, et avec des éléments cylindriques de hauteur sensiblement égale au rayon, rigidifiés par des cerces préférablement en fibres de verre plastifiées et supportées entre elles par des lanières tressées en matière synthétique du type nylon. La jonction du conduit 2 à la partie inférieure de la cellule centrale 9 est réalisée par l'intermédiaire d'une liaison souple garantissant l'indépendance des mouvements incoercibles de la plate-forme sous l'action de la houle par rapport audit conduit, évitant ainsi des contraintes dangereuses au niveau de la connexion plate-forme-conduit. On va maintenant s'attacher à la description des modules de puissance, dont la conception apparaitra souvent plus clairement sur la figure 4 en raison de l'échelle plus grande. Ainsi que cela a été dit plus haut, les éléments constitutifs de chaque module sont disposés verticalement l'un au-dessus de l'autre. La conception choisie ici est un exemple particulièrement avantageux, mais ne doit pas être comprise limitativement. Chaque module 3 comporte, selon le même axe sensiblement vertical et successivement à partir de sa partie inférieure - un condenseur 12 avec sa pompe 13 de reprise du liquide cryogénique, - le rouet 14 d'une pompe de circulation eau froide, - un évaporateur 15, - le rouet 16 d'une pompe de circulation eau chaude, - l'arbre creux d'entrainement commun 17 des rouets de circulation d'eau, - le dispositif 18 d'entrainement de l'arbre creux 17. Chaque module comporte un circuit pour le passage d'un fluide cryogénique, se fermant sur la turbine 19 reliée à la génératrice 19' du groupe turbogénérateur associé qui est disposé dans le pont de travail 6, donc parfaitement abrité. Ce fluide cryogénique peut être soit de lAmmoniaque soit un mélange de gaz fréon, soit tout autre gaz ou fluide dont les caractéristiques thermo dynamiquess'accojodent le mieux possible des températures de la source chaude (eau de mer en surface) et de la source froide (eau de mer au fond). Le gaz détendu (basse pression) provenant de la turbine 19 est convoyé vers le condenseur 12 par un conduit 20 de large section, dont la portion principale verticale est coaxiale à l'arbre creux vertical 17 d'entraînement des rouets de circulation d'eau. Le condenseur 12 est constitué d'un faisceau de tubes verticaux fixés de manière étanche au travers de plaques de tête 21 retenues par une virole cylindrique extérieure formant cylindre étanche avec les plaques de tête. Le gaz cryogénique circule à l'extérieur des tubes et se condense à la partie basse du condenseur 12 sous l'effet de l'eau froide circulant à l'intérieur des tubes par l'action du rouet inférieur 14 entraîné par son arbre creux, aspirant l'eau de mer dans la chambre d'eau froide 9 ménagée au centre du caisson et alimentée par le conduit d'aspiration d'eau froide 2. L'eau de circulation est rejetée à la partie basse du caisson. Le gaz est repris, sous forme liquide, par une pompe 13 et dirigé par un conduit de faible section 22 vers l'évaporateur 15 dont la construction est identique à celle du condenseur 12 précédemment décrit. Le liquide cryogénique s'évapore à l'extérieur des tubes de l'évaporateur 15 sous l'effet de la chaleur transmise par l'eau chaude circulant à l'intérieur des tubes, par le moyen du rouet supérieur 16 qui aspire l'eau chaude en surface, celle-ci étant rejetée à la partie basse du caisson après échange thermique au travers de l'évaporateur 15. Le gaz s'étant échauffé à volume constant est monté en pression. il est avantageux de prévoir à ce niveau un séparateur 23 destiné à éviter les entrainements de liquide, ledit séparateur étant de préférence constitué par un volume annulaire creux dont la surface extérieure 24 tournée vers son axe est un venturi pour le rouet 16 de pompe de circulation d'eau chaude. Le gaz à haute pression est alors convoyé par un conduit 25, du même type que le conduit 22, vers l'étage haute pression de la turbine 19 où il se détend en libérant son énergie au profit de la génératrice 19'. Un déflecteur oblique 26, solidaire de la tour mobile, est prévu entre la partie inférieure de l'évaporateur 15 et le rouet 14 de pompe de circulation d'eau froide, de façon que d'une part 1' eau chaude ayant traversé l'évaporateur 15 soit évacuée de côté par le fond ouvert d'une cellule voisine, et que d'autre part l'eau froide venant du tube plongeur 2 soit dirigée par le rouet de pompe associé 14 vers la partie supérieure du condenseur 12. Il peut s'avérer utile de prévoir une porte mobile 11 obturant la communication entre la cellule centrale et les cellules recevant les modules afin d'éviter une entrée d'eau chaude vers l'arrivée d'eau froide lorsqu'un module est relevé. Figure 3, le relevage d'un module 3 est illustré : l'accès est aisé pour le montage et l'entretien par une salle 276nieux visible en figure 4) ménagée dans le pont de travail autour du passage de la tour supportant le module ; par ailleurs, l'accès de cette salle pourra être facilité en disposant les moyens de levage audessus et non à l'intérieur du pont de travail. Signalons la présence d'organes d'appui 28 permettant de soulager en service les moyens de levage. Pour la mise en route, un groupe électrogène de puissance égale à la moitié de celle d'une tranche est installé sur le pont pour servir à alimenter les auxiliaires d'un module (arbre de rouets de pompes, pompes de reprise, pompes de circulation d'huile,...). Les pompes étant entratnées, le circuit thermodynamique du gaz cryogénique s'établit et la turbine est entratnée par détente du gaz haute pression. Le premier module étant opérationnel, la mise en fonction successive des autres modules se fait à l'aide de la puissance fournie par le premier. A titre d'exemple, une plate-forme conforme à l'invention, prévue pour une puissance nette de 100 MS, comportera 6 modules de puissance. Chaque module comporte un condenseur formé de 34 000 tubes, de préférence légers et traités intérieurement contre la corrosion à l'eau de mer, de 4 cm de diamètre et de 15 m de longueur, au travers duquel peut passer un débit d'eau froide (à SOC environ) de 83,5 m3/s, un évaporateur identique au condenseur traversé par une eau chaude à 250C environ. Outre les différents avantages mentionnés au cours de la description, pmentionnons pour terminer les avantages suivants - facilité de montage par le fait du fractionnement du poids, - possibilité de visite et d'entretien des modules par roulement circulaire pendant le fonctionnement de la centrale d'énergie, - visite et remplacement d'éléments mécaniques en atelier spécialisé au niveau du pont, rendu aisément possibles par simple hissage du module de puissance, - mise en route initiale du dispositif à l'aide d'un groupe auxiliaire de puissance relativement faible, puisqu'il suffit de mettre un module de puissance en marche pour obtenir l'énergie suffisante au lancement successif des autres groupes, - possibilité de construction sur un site en eau peu profonde. il va de soi que l'invention ne saurait être limitée aux exemples qui en ont été donnés à titre illustratif, mais comprend toute variante reprenant avec des moyens équivalents la définition générale telle qu'exposée dans les revendications. REVENDICATIONS 1/ Plate-forme pour l'exploitation de l'énergie thermique des mers, comportant une structure flottante prolongée vers le bas par un tube plongeur prélevant l'eau froide, ladite structure supportant au moins deux modules de puissance comportant chacun un évaporateur et un condenseur ainsi que des pompes de circulation d'eau froide et d'eau chaude, chaque module de puissance étant relié à un groupe turbo-générateur, caractérisée par le fait que la structure support présente des cellules ouvertes recevant les modules de puissance, et que chaque module a ses éléments constitutifs disposés verticalement l'un au-dessus de l'autre de façon à constituer un ensemble cylindrique traversant de part en part la structure support. 2/ Plate-forme selon la revendication 1, caractérise par le fait que la structure support est semi-submersible, et comporte une embase alvéolaire en béton surmontée de colonnes portant un pont de travail hors-d' eàu, chaque module traversant de part en part ladite embase et ledit pont de travail. 3/ Plate-forme selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisée par le fait que chaque module est intégré dans une tour mobile de façon à constituer une cartouche pouvant se déplacer verticalement par des moyens de levage portés par la structure support. 4/ Plate-forme selon la revendication 3, caractérisée par le fait que la tour mobile porte des moyens d'appui sur la structure support, permettant de soulager en service les moyens de levage. 5/Plate-forme selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée par le fait que les rouets de pompe de circulation d'eau froide et d'eau chaude sont pour chaque module entraînés par un arbre commun sensiblement vertical. 6/ Plate-forme selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée par le fait que chaque module comporte un circuit pour le passage d'un fluide cryogénique, se fermant sur la turbine du groupe turbo-générateur associé. 7/ Plate-forme selon la revendication 6, caractérisée par le fait que la portion du circuit convoyant le gaz détendu vers le condenseur comprend un conduit intérieur à l'arbre d'entratnement des rouets de pompe et coaxial à celui-ci. 8/ Plate-forme selon l'une des revendications 6 et 7, caractérisée par le fait que la portion du circuit convoyant le gaz comprimé vers la turbine du groupe turbo-générateur associé comprend un séparateur constitué par un volume annufaire creux dont la surface extérieure tournée vers son axe est un venturi pour le rouet de pompe de circulation d'eau chaude. 9/ Plate-forme selon l'une des revendications 3 à 8, caractérisée par le fait qu'un déflecteur oblique solidaire de la tour mobile est prévu entre la partie inférieure de l'évaporateur et le rouet de pompe de circulation d'eau froide, de façon que d'une part l'eau chaude ayant traversé l'évaporateur soit évacuée par le fond ouvert d'une cellule voisine de embase alvéolaire de la structure support, et que d'autre part l'eau froide venant du tube plongeur soit dirigée vers le rouet de pompe associé puis vers la partie supérieure du condenseur. 10/ Plate-forme selon l'une des revendications 5 à 9, caractérisée par le fait que le condenseur et l'évaporateur de chaque module sont coaxiaux à l'arbre commun d'entrainement des rouets de pompes de circulation d'eau froide et d'eau chaude. 11/ Plate-forme selon la revendication 10, caractérisée par le fait que les tubes du condenseur et de l'évaporateur, encastrés en leurs extrémités dans des plaques de tête circulaires, sont répartis de façon que soit ménagé un accès circulaire central pour le passage de l'arbre d'entrainement des rouets de pompe et/ou du conduit acheminant le fluide cryogénique basse pression. 12/ Plate-forme selon l'une des revendications 2 à 11, caractérisée par le fait que le tube plongeur amenant l'eau froide débouche dans une cellule centrale de l'embase alvéolaire de la structure, ladite cellule communiquant avec les cellules de ladite embase dans lesquelles passe un module. 13/ Plate-forme selon la revendication 12, caractérisée par le fait que les communications entre la cellule centrale et les cellules dans lesquelles passe un module sont obturables par une porte mobile. 14/ Plate-forme selon la revendication 12, caractérisée par le fait que le tube plongeur est solidarisé à l'embase alvéolaire selon une liaison souple autorisant un certain débattement dudit tube par rapport à la structure support. 15/ Plate-forme selon la revendication 12, caractérisée par le fait que la cellule centrale est obturée en sa partie supérieure par un couvercle étanche, auto-flottant et submersible.