Brevet FR2464441A1 — publié le 19810306

Il est bien connu que la température est plus élevée à l'intérieur de la terre qu'à sa surface, ce qu'exprime le gradient géothermique, suivant lequel la température s'élève d'environ trois degrés pour 100 metres de profondeur. Dans les mines, dans lesquelles il règne à une profondeur de 2000 métres une température d'environ 60 degrés ou plus, le gra- diant géothermique n'apporte que des inconvénients et rend le travail sous terre plus difficile. En revanche, à l'heure actuelle o l'on se préoccupe de trouver des nouvelles sour- ces d'énergie, le gradient géothermique apporte de grands avantages. La chaleur interne se présente comme une nouvelle source d'énergie. L'ingénieur se voit donc poser le problème de transporter la chaleur interne de l'intérieur de la croû- te terrestre à la surface, à l'aide de moyens aussi simples que possible et en consommant le minimum possible d'énergie pour son transport. C'est ce problème qui est à la base de l'invention. L'invention vise à créer un procédé et un dispo- sitif à l'aide desquels il soit possible d'exploiter à la surface la chaleur tirée de l'intérieur de la terre. Dans la mise en oeuvre de l'invention, on utilise des moyens issus de la technique des forages et des travaux souterrains, connue en soi, pour exécuter des trous forés dans le sol, les tuber et effectuer d'autres opérations analogues, Suivant l'invention, la solution de ce problème con- siste dans un procédé suivant lequel on introduit un agent caloporteur liquide froid dans un trou foré dans le sol, on le fait circuler jusqu'au point le plus profond du trou foré en lui faisant absorber la chaleur du terrain environnant, puis, en ce point, on lui impose un changement de direction de 1800 et on le fait remonter dans le trou foré en le main- tenant séparé de l'agent caloporteur froid introduit et on l'extrait de ce trou foré pour en prélever la chaleur qu'il a absorbée. Comme agent caloporteur, on peut utiliser l'eau. Naturellement, il est également possible d'utiliser d'autres liquides dans les cas o de meilleures propriétés thermiques seraient souhaitables ce qui justifierait un coût plus élevé. Toutefois, pour simplifier, dans la suite, on fera uniquement mention de l'eau. Dans le procédé suivant l'invention, on forme dans le trou un système de canalisations communicantes. Ces canalisa- tions sont reliées entre elles par leur extrémité inférieure, au point le plus profond du trou foré. On injecte de l'eau froide dans l'extrémité supérieure de l'une des canalisations. On supposera dans la suite que cette eau froide descend sous l'effet de la gravité. En descendant, l'eau froide circule le long de la paroi du trou fore, qui est entouré par le terrain dont la température s'accroit avec l'accroissement de la pro- fondeur. La chaleur extraite du terrain se transmet à l'eau qui circule dans le sens descendant et élève la température de cette dernière. Si la section des canalisations reste cons- tante, la vitesse de l'eau s'accroit. Au point le plus bas du trou foré l'eau pénètre dans l'autre canalisation et s'é- lève dans cette dernière. L'ensemble des deux canalisations communicantes a pour effet que l'eau descend dans la premie- re canalisation et remonte dans l'autre groupe sans aucune intervention extérieure. Le fait que l'eau chaude a un plus grand volume se traduit par une déviation de la-vitesse dans la deuxième canalisation. De ce fait, il se produit une as- piration de l'eau qui descend dans la première canalisation. On obtient de cette façon une circulation naturelle qui n'e- xige pas la consommation de puissance qui correspondrait à un pompage. La température à laquelle l'eau est chauffée dans ce circuit par la chaleur interne dépend de la profondeur du trou foré et du coefficient de transmission de la chaleur qu'il est possible d'atteindre. A une profondeur de 1000 mè- tres, on obtient théoriquement une élévation de la tempéra- ture de l'eau de 30 Si la température de sortie de l'eau qui est atteinte de cette façon n'est pas suffisante pour permettre d'utiliser directement l'eau chaude, par exemple pour le chauffage de locaux, on intercale une pompe à chaleur. De même, on peut envisager d'accélérer au moyen d'une pompe utilisée à titre complémentaire l'écoulement produit dans les deux canalisations communicantes, qui est obtenu direc- tement par 1teffet de la gravité. Pour la mise en oeuvre du procédé suivant l'invention, on peut adopter différentes dispositions. Un dispositif sui- vant l'inventbn est fondamentalement caractérisé par un trou foré exécuté dans le sol et par un tube disposé dans ce trou, de manière à ménager un espace annulaire, et comportant dans sa zone inférieure des passages prévus à travers sa paroi. L'espace annulaire compris entre la paroi du trou foré et le tube constitue la canalisation, dans laquelle circule en mou- vement descendant l'eau qui prélèvera directement la chaleur du sol environnant. A l'extrémité inférieure du trou foré ou de l'espace annulaire, l'eau ainsi chauffée pénètre dans le tube par les passages et s'écoule dans ce tube dans le sens ascendant. Le trou fore est exécuté d'une façon connue au moyen d'un trépan, d'un train de tiges, etc..En général on ne rencontre- ra pas de roches résistantes telles que le granit ou les ro- ches primaires. Ceci signifie que le trou foré devra être tubé ou revêtu de tubes. On obtient de cette façon un tube périphé- rique qui est en contact avec la paroi du trou foré et atteint le point le plus profond de ce trou. Afin que le tube qui for- me la canalisation pour l'eau en courant ascendant soit placé concentriquement dans ce tubage et d'obtenir de cette façon des conditions d'écoulement favorables, suivant une autre caractéristique de l'invention, sont prévues sur la périphé- rie de ce tube des entretoises orientées radialement qui s'ap- puient contre le tubage et maintiennent le tube concentrique- ment dans ce dernier. Dès que le trou a été foré jusqu'à la profondeur vou- lue et que sa paroi a été tubée, on doit boucher ce trou à son extrémité inférieure. Suivant l'invention, il est prévu à cet effet un bouchon composé d'une matière d'étanchéité, par 246444 1 exemple d'un mortier d'étanchéité contenant une matière plas- tique, qui remplit l'extrémité inférieure du tubage et éven- tuellement refoule le terrain situé au-dessous de cette ex- trémité. A cet effet, après avoir tubé le trou foré et remon- té le trépan avec son train de tiges, on déverse la matière du bouchon dans le tubage par le haut. Ensuite, on descend l'autre tube, qui est composé de tronçons assemblés par vis- sage, jusqu'à ce qu'il prenne appui sur le bouchon. Le tubage est de préférence composé de tronçons de tu- be métallique distincts. Ces tronçons possèdent la résistance nécessaire et permettent une bonne transmission de la chaleur du sol à l'eau circulant dans le sens descendant. Le tube dis- posé concentriquement dans le tubage est avantageusement fait de tronçons distincts de tube de matière plastique sur les- quels les entretoises peuvent être venues de moulage. On uti- lise de préférence une matière plastique ayant une faible con- ductibilité thermique. De cette façon, l'eau chaude qui remon- te conserve pratiquement sa température et elle n'est pas re- froidie exagérément par l'eau froide qui descend. Ainsi qu'on l'a déjà indiqué, si les deux canalisations ont des sections égales, l'eau en circulant vers le haut a une plus grande vi- tesse que l'eau circulant vers le bas. Ceci a pour effet de réduire le temps-de séjour de l'eau s'élevant dans le tube. En même temps, ceci réduit le temps pendant lequel elle pour- rait céder sa chaleur à l'eau froide descendante. Le disposi- tif suivant l'invention peut ainsi travailler avec un rende- ment thermique élevé. Ainsi qu'on l'a indiqué plus haut, la forme de réalisa- tion qu'on vient de, décrire est utilisée dans un terrain non résistant. Le tubage représente un coffrage perdu et forme en même temps la canalisation d'introduction de Veau en écoule- ment descendant. La grande étendue de sa surface garantit sans précautions supplémentaires une bonne transmission de la chaleur du sol à l'eau circulant vers le bas. Dans le cas de roches résistantes telles que le granit ou les roches primai- res non perturbées, le tubage représente un poste de frais superflu et peut donc être supprimé. Pour ces roches résis- tantes on prévoit unedeuxième forme de réalisation qui com- prend également un trou foré dans la roche, qui est caracté- risé par au moins une conduite tubulaire disposée dans le trou foré et composée d'un train de tubes qui mène de haut en bas jusqu'au point le plus profond du trou foré, change de direction en ce point puis remonte, et par un remplissage de matière conductrice de la chaleur qui comble les espaces li- bres compris entre la paroi du trou foré ou la roche, d'une part, et la conduite tubulaire d'autre part. Dans cette forme de réalisation, la canalisation descendante ou le train de tubes descendant est identique à la canalisation montante ou au train de tiges montant. Le rendement thermique est donc plus faible que dans la première forme de réalisation. Toute- fois, étant donné que la roche est résistante et que le trou foré reste ouvert, on peut supprimer le tubage et les frais d'exécution du trou foré sont réduits d'autant. On peut donc exécuter plusieurs forages avec la même charge financière, de sorte, que pour un investissement financier donné, on tire la même quantité de chaleur. Lorsque, à son entrée dans la colonne descendante, 1' eau a une température inférieure à celle du terrain environ- nant et c'est uniquement dans ce cas que se produit la trans- mission de chaleur désirée du terrain à l'eau il est recom- mandé que la colonne descendante ait une section supérieure à celle de la colonne montante. Cette plus grande section peut être obtenue soit par le choix d'un plus grand diamètre, soit par plusieurs tubes. Suivant l'invention, pour obtenir dans un trou foré une surface aussi grande que possible pour la transmission de la chaleur du terrain à l'eau, deux, ou plus de deux, condui- tes comprenant chacune une colonne descendante et une colonne montante sont disposées dans le trou foré. La transmission de la chaleur du terrain à l'eau dé- pend dans une large mesure d'un bon remplissage des espaces libres. Pour combler ces espaces libres, on déverse la matié- re conductrice de la chaleur dans le trou foré après y avoir mis les tubes en place. Dans cette opération, on doit veil- ler à ce que la matière de remplissage tombe jusqu'au point le plus profond du trou foré et s'accumule progressivement de ce point vers le haut. Si les tubes sont disposés excentrique- ment ou ne sont pas disposés en ligne droite dans le trou foré, la matière de remplissage risque d'arracher ou d'entra ner des roches de la paroi du trou ou encore de ne pas tomber jusqu'au fond de sorte qu'il risque de se former des poches d'air. Ces deux circonstances font obstacle à une bonne transmission de- la chaleur. C'est pourquoi, suivant l'invention, en vue de fi- xer exactement la position des colonnes, sont prévues des en- tretoises horizontales espacées verticalement qui sont dispo- sées entre les colonnes et maintiennent ces dernières à l'é- cartement mutuel désiré et garantissent leur centrage dans le trou foré. Avec cette disposition des colonnes, la matière de remplissage déversée de haut en bas entre les colonnes tombe jusqu'au point le plus profond du trou foré. A partir de ce point, elle s'accumule de bas en haut et s'écoule radialement entre les colonnes pour combler le trou foré sans détériorer la paroi de ce dernier. Suivant une caractéristique de l'in- vention, les colonnes sont constituées par un assemblage de tronçons séparés et les entretoises qui s'étendent entre ces colonnes ont une longueur au moins égale à 2,5 fois la gros- seur de grain de la matière de remplissage. Ceci garantit que la matière de remplissage déversée entreles colonnes s'écoule radialement vers l'extérieur et remplit tous les espaces li- bres du trou foré. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description qui va suivre. Aux dessins annexés donnés uniquement à titre d'exemple, - la Fig. 1 est une vue en élévation de côté, en par- tie en coupe, de la première forme de réalisation du disposi- tif suivant l'invention, qui comprend un tubage mis en place dans le trou foré alors que le tube intérieur n'y a pas en- core été descendu; - la Fig. 2 est une vue en élévation de côté, en par- tie en coupe, de la même forme de réalisation, représentée après la descente du tube intérieur; - la Fig. 3 est une coupe transversale suivant la li- gne 3-3 de la Fig. 2; - la Fig. 4 est une coupe transversale suivant la li- gne IV-IV de la Fig. 2; - la Fig. 5 est une vue en élévation de côté, en par- tie en coupe, représentant la deuxième forme de réalisation qui ne comporte pays de tubage et dans laquelle les conduites tubulaires intérieures sont supposées partiellement descen- dues; - la Fig. 6 est une vue en élévation de côté et en par- tie en coupe représentant la même forme de réalisation mais à l'état final, dans lequel les canalisations tubulaires in- térieures sont entièrement descendues et ou la matière de remplissage est mise en place; - la Fig. 7 est une coupe suivant la ligne VII-VII de la Fig. 5; - la Fig. 8 est une coupe suivant la ligne VIII-VIII de la Fig. 6; - la Fig. 9 est une vue de dessus de la forme de réa- lisation représentée sur les Fig. 5 et 6, dans le cas ou les colonnes descendantes des conduites tubulaires ont une plus forte section; - la Fig. 10 est une vue de dessus d'une forme de réa- lisation analogue, mais dans laquelle on utilise trois cana- lisations. Sur les Fig. 1 et 2 la référence 12 désigne le terrain dans bquel a été exécuté un trou foré 14. Ce trou foré 14 est habillé d'un tubage 16, composé de plusieurs tronçons de tube métallique assemblés par vissage. Pour la clarté du des- sin on a omis de représenter individuellement ces tronçons sur la Fig. 1. Le tube central 18 est mis en place dans le tu- bage 16 en formant un intervalle annulaire 20. Sur le tube 18 sont prévues des entretoises radiales 22. A l'extrémité infé- rieure du trou foré 14 ou du tubage 17 est formé un bouchon 24 fait d'une matière d'étanchéité. Ce bouchon ferme le point le plus profond du trou foré, qui est représenté en 26. Dans sa région inférieure, le tube intérieur 18 comporte des ou- vertures 28. Pour obtenir c ette forme de réalisation du dispositif suivant l'invention, qui est représenté sur les Fig. 1 et 2 et également sur les Fig. 3 et 4 qui sont des vues en coupe, on exécute un forage 'de la façon classique. Ensuite, on revêt la paroi du trou foré au moyen de tronçons de tubes métalli- ques. Ces tronçons de tubes métalliques sont définitivement en place et forment le tubage 16. Après le forage, on déverse une matière d'étanchéité dans le trou foré. Cette matière for- me le bouchon 24. Ensuite, on descend le tube intérieur 18 jusqu'au point le plus profond du trou de sonde représenté en 26. Ce tube intérieur est lui aussi composé de tronçons assemblés par vissage. Les tronçons inférieurs comportent des ouvertures traversantes 28. En fonctionnement, on introduit de l'eau froide, par exemple l'eau froide qui s'écoule d'une installation de chauf- fage d'un bâtiment, dans le volume annulaire 20. Les deux flé- ches dessinées en haut sur la Fig. 2 indiquent cette intro- duction d'eau froide. Dans ce volume annulaire 20, l'eau úroi- de s'écoule de haut en bas. Dans ce mouvement, elle absorbe la chaleur qui lui est cédéepar le terrain 12, à travers le tuba- ge métallique 16. La température de cette eau s'élève. Dans la région inférieure du trou foré 14, l'eau qui est maintenant chaude pénètre dans le tube intérieur 18 par les ouvertures 28. Les flèches tracées à la partie inférieure de la Fig.2 et également sur la Fig. 4 représentent cet écoulement de l'eau. L'eau chaude remonte dans le tube intérieur 18 et est extrai- te à l'extrémité supérieure de ce tube. La forme de réalisa- tion du dispositif suivant l'invention qui a été décrite plus haut est utilisée dans un terrain qui tendrait à s'ébouler dans le trou foré de sorte qu'il est nécessaire de revêtir ce dernier du tubage 16. La forme de réalisation décrite plus bas en regard des Fig. 5 à 10 est au contraire utilisée dans des roches résistantes. Dans la forme de réalisation représentée sur les Fig. à 10, le tubage du trou foré 14 est supprimé puisqu'il s'a- git d'une roche 12 résistante. La Fig. 5 représente le trou foré 14 dont le point le plus profond 26 n'est pas fermé par un bouchon 24, mais reste au contraire ouvert. La Fig.5 mon- tre le dispositif alors que les conduites tubulaires 30 ont déjà été partiellement descendues. Ainsi que la coupe de la Fig. 7 le montre particulièrement bien, il s'agit de deux con- duites tubulaires 30 qui comprennent chacune un train de tu- bes 32 formant une colonne descendante et un train de tubes 34 formant une colonne montante. Des entretoises qui s'éten- dent entre les colonnes assurent à ces dernières un écartement mutuel correct. Lorsque les conduites tubulaires ont été des- cendues jusqu'au fond, elles prennent la position représentée sur la Fig. 6. On déverse alors la matière qui forme le rem- plissage 38. Il s'agit d'un mortier possédant de bonnes pro- priétés de conductibilité thermique. Cette matière est déver- sée dans le trou foré entre les colonnes et latéralement à ces colonnes. Lorsque le remplissage a atteint le point 26, c'est- à-dire le point le plus profond du trou foré, il s'accumule. Finalement en s'élevant depuis le fond, il remplit tous les espaces libres du trou fore 14. De cette façon, on réalise une liaison intime conductrice de la chaleur entre le terrain 12 et les colonnes. Comme le montrent les flèches dessinées sur la Fig.6, l'eau froide est introduite dans les colonnes descendantes 32. Dans ces colonnes l'eau s'écoule vers le bas et, dans ce mou- vement, elle absorbe de la chaleur cédée par le terrain 12e 1o Au point 26 le plus profond au trou foré, l'eau pénètre dans les colonnes montantes 34. Ici également, tant que sa tempé- rature est encore inférieure à celle du terrain 12, elle ab- sorbe une nouvelle quantité de chaleur. Finalement, elle est prélevée à l'extrémité supérieure des colonnes montantes 34, o elle est constituée par de l'eau chaude. Les vues en coupe des Fig. 7 et 8 montrent la forme de réalisation représentée sur les Fig. 5 et 6, dans laquel- le les colonnes montantes et descendantes ont la même sec- tion. La Fig. 9 représente une forme de réalisation dans la- quelle la colonne descendante 32 a une plus grande section que la colonne montante 34. Grâce à cette caractéristique, on obtient entre autres que l'eau chaude circulant dans les colonnes 34 a une plus grande vitesse. Ceci a pour effet de réduire la durée pendant laquelle l'eau se trouve dans les régions ou sa température est supérieure à celle du terrain 12 et o elle pourrait céder sa chaleur au terrain. Ceci amé- liore le rendement thermique. Sur la Fig. 10, on a représenté un agencement qui comporte, au lieu de deux conduites tubu- laires, trois conduites comprenant chacune une colonne descen- dante 32 et une colonne montante 34. Les profondeurs de forage qui peuvent être utilisées pour la mise en oeuvre de l'invention sont théoriquement il- limitées. Toutefois, en principe, la profondeur des forages est comprise entre une limite inférieure d'environ 1000 mè- tres et une limite supérieure d'environ 2 000 mètres. A une profondeur de forage de moins d'environ 1 000 mètres, la tem- pérature est trop faible et, aux profondeurs de plus de 2 000 mètres, les frais deviennent trop élevés. Les diamètres des trous de forage et des tubes seront en général dans l'in- tervalle de 100 à 400 millimètres. Les pompes qui peuvent ê- tre utilisées éventuellement pour accélérer la circulation de l'eau n'ont qu'une très faible puissance. La poussée as- cendante qui résulte du plus faible poids spécifique de l'eau chaude suffit en général pour assurer la circulation de l'eau. il La pompe a donc simplement à compenser les pertes de charge de sorte que sa puissance peut être faible. RFE V E ND I CA TI ON S 1 - Procédé pour extraire de la chaleur du sol, ca- ractérisé en ce qu'on introduit un agent liquide de transmis- sion de la chaleur à l'état froid dans un trou foré dans le sol et on le fait circuler jusqu'au fond de ce trou, cet a- gent absorbant alors la chaleur du terrain environnant, on lui fait subir un changement de direction de 180O et on le fait remonter dans le trou foré en le maintenant séparé de l'agent de transmission de chaleur froid et on l'extrait du trou foré pour lui faire restituer la chaleur qu'il a absor- bée. 2 - Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'écoulement, dû à la gravité de l'agent de transmis- sion de la chaleur, est accéléré par une pompe. 3 - Dispositif pour la-mise en oeuvre du procédé sui- vant l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il * comprend un trou (14) foré dans le sol (12) et un tube (18), disposé dans ce trou foré de manière à ménager un espace an- nulaire (20), qui présente des ouvertures traversantes (28) prévues dans sa paroi dans sa région inférieure. 4 - Dispositif suivant la revendication 3, caractérisé par un tubage (16) mis en place dans le trou fore (14), appli- qué contre la paroi de ce trou qui se prolonge jusqu'au point le plus profond de ce dernier. 5 - Dispositif suivant la revendication 4, caractérisé par des entretoises (22) orientées radialement, prévues sur la périphérie du trou foré (18), qui s'appuient contre le tu- bage (16) et maintiennent le tube (18) concentriquement dans le tubage (16). - 6 - Dispositif suivant l'une des revendications 3 à , caractérisé en ce qu'un bouchon (24) en une matière d'é- tanchéité remplit l'extrémité inférieure du tubage (16) et éventuellement refoule le sol situé au-dessous de cette ex- trémité inférieure. 7 - Dispositif suivant l'une des revendications 3 à 6, caractérisé en ce que le tube (18) est composé de tronçons de tube de matière plastique et en ce que les entretoises (22) sont venues de moulage sur ce tube. 8 - Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé sui- S vant l'une des revendications 1 et 2, caractérisé par un trou (14) foré dans le sol (12), au moins une conduite tubulaire disposée dans le trou foré (14) et composée d'un train de tu- bes (32, 34) qui mène vers le bas jusqu'au point (26) le plus profond du trou foré, subit une inversion de direction en ce point et se prolonge par un train de tubes menant vers le haut, et une matière de remplissage (38) faite d'une matière conductrice de la chaleur et qui comble les espaces libres subsistant entre la paroi du-trou de forage et la conduite tubulaire. 9 - Dispositif suivant la revendication 8, caractérisé en ce que le train de tubes (32) qui mène vers le bas a une plus forte section que le train de tubes (30) et (34) qui me- ne vers le haut. -- Dispositif suivant la revendication 8, caractéri- sé en ce qu'il comporte deux ou plus de deux conduites tubu- laires (30) dont chacune comprend un train de tubes (32) con- duisant vers le bas et un train de tubes (34) conduisant vers le haut, et en ce que sont prévues des entretoises (36) qui s'étendent horizontalement entre les trains de tubes (32, 34) et sont espacées verticalement. il - Dispositif suivant des revendications 8 à 10, caractérisé en ce que les trains de tubes (32, 34) sont com- posés de tronçons individuels et en ce que les entretoises (36) ont une longueur au moins égale à 2, 5 fois la grosseur de grain de la matière formant le remplissage (38).