Brevet FR2491156A1 — publié le 19820402

La présente invention est un ensemble de machines thernìiques et de leurs annexes qui transforment l'énergie calorifique des me!-F haudes en electricité. Cet ensemble constitue un engin qui utilise comme source ,h.lU- de l'eau de surface et comme source froide l'eau située en profondeur. L'engin comporte en outre un dispositif permettant d'extraire une fraction plus ou moins importante du plancton présent dans l'eau chaude utilisée. Ces deux fonctions (production d'énergie et extraction de matière organique) sont complémentaires et il y a avantage à les mettre en oeuvre simultanément. L'exploitation de l'énergie thermique des océans présente trois qualités essentielles qui incitent à examiner cette ressource avec une attention particulière 1) C'est une énergie renouvelable, d'origine solaire pour la source chaude et d'origine polaire pour la souroe froide. 2) La pauvreté en nitrates et phosphates de l'eau de surface limite général le développement de la biomasse des mers chaudes ; or, or, ces sels minéraux se trouvent en abondance dans l'eau profonde ; il il en résulte qu'une machine dont le fonctionnement produit une remontée d'eau froide vers la surface, induit un accroissement de la vie marine. Habituellement les techniques industrielles stérilisent plus ou moins un biotope dans le cas présent au contraire, la vie est stimulée par l'effet accessoire d' une technique. 3) L'énergie thermique des mers offre une possibilité d'exploitation très importante, peut- & re supérieure à l'équivalent de la production mondiale estimée en pétrole à la fin de ce siècle. Le recours insignifiant à cette source d'énergie si prometteuse, provient du court élevé des moyens à mettre en oeuvre avec les techniques actuellement envisagées. La présente invention est destinée a améliorer la rentabilité de ce type de machine, d'une part grace à la mise en oeuvre d'un matériel plus simple, peu soumis aux salissures biologiques, et d'autre part, grace à des ressources complémentaires procurées par l'exploitation de la biomasse, le prélèvement de plancton dans le milieu naturel étant compensé et au-delà, par une augmentation de la productivité de ce meme biotope. Cette invention se situe dans la filière dite "à cycle fermé", dans laquelle un fluide (gaz carbonique dans le cas présent) décrit indéfiniment un cycle thermodynamique convenable grace à des échangeurs de chaleur et une turbine. L'engin comporte plusieurs machines thermiques identiques disposées radialement autour d'une alimentation commune en eau chaude océanique. Toutes ces machines thermiques sont immergées à une profondeur de l'ordre de 500 a 600 mètres ; elles comportent chacune 5 éléments qui constituent les cinq parties du cycle thermodynamique : t) Liquéfaction isobare : un changeur horizontal, en contact avec la source froide, dans lequel le fluide introduit à l'état gazeux se refroidit puis se condense. 2) Compression isotherme : un échangeur vertical, en contact avec la source froide, dans lequel le liquide transite de haut en bas. Grâce â l'action conjuguée de la pe.sculLeur et dt' I.'eau froldlz, la pression augmente au cours de la descente alors que id tenérature demeure sensiblement constante. 3) Vafaorisation isobare : un échangeur, horizontal, en contact avec la source chaude, dans lequel le liquide est réchauffé puis vaporisé. 4) Détente isotherme t un échangeur vertical, en contact avec la source chaude, dans lequel le gaz diminue de pression au cours de son ascension. Ce travail du fluide contre la pesanteur s'effectue à une température pra- tiquement constante grace à l'apport de chaleur de la source chaude. 5) Détente adiabatique e une turbine à vapeur dans laquelle le gaz se détend en fournissant un travail transxlis à un alternateur qui produit de l'énergie électrique. En résumé, chaque machine thermique se présente comme un grand cadre rectangulaire formé de faisceaux de tubes. Ce cadre est placé verticalement à grande profondeur dans l'océan. Une diagonale (imaginaire) sépare en deux parties ce cadre qui, d'un côté, est soumis à l'action de la source froide présente sur place, et de l'autre, à l'action de la source chaude obtenue par pompage de l'eau chaude prélevée en surface. La turbine se situe dsls la partie haute du cadre entre la source chaude et la source froide. C'est en ce point que les conditions de fonctionnement sont les meilleures du fait 1) que le rendement y est supérieur à celui qui serait obtenu en tout autre point du cycle, 2) que la vapeur demeure sèche au cours de la détente, ce qui est favorable à une bonne tenue des aubes de la turbine. L'examen de ce cycle montre que la détente adiabatique diffère peu de la détente isotherme et qu'il est en conséquence très voisin du cycle d'Ericsson (2 isobares, 2 isothermes). Une installation de surface flettante comporte une ou plusieurs pompes qui prélèvent de l'eau chaude en surface après passaqe à travers une grille. L'eau est acheminée vers les machines thermiques situées en profondeur, a l'aide d'un tube vertical dont l'extrémité inférieure s'élargit pour former une vaste cuve. La matiere organique qui constitue le plancton est plus compressible que l'eau environnante ; certains individus planctoniques peuvent cependant effectuer en quelques heures une excursion d'une profondeur maximum de 150 mettes. Si l'un de ces individus est soumis à des conditions de variation de pression plus rigoureuses, sa densité relative s'accroît dune valeur telle qu'il ne peut plus remonter. Dans le cas présent, la descente rapide de l'eau chaude dans le tube vertical, soumet le plancton à une variation de pression supérieure à 50 Bars dans un temps assez court. La grande cuve située à l'extrémité inférieure du tube d'alimentation joue le rible de décanteur et de distributeur d'eau chaude pour les machines thermiques situées radialement autour d'elle. La cuve est de forme biconique, le cône supérieur favorise la séparation des phases liquides et solides, le cône inférieur assure le transit des sédiments vers la partie la plus basse d'où ils sont extraits par un ou plusieurs suceurs. La remontée de la matière collectée s'effectue par une conduite de faible section qui aboutit aux installations de surface (concentrateur éventuel, cuve de stockage, etc...). Une pompe assure la remontée rapide de i'eau chargée de sédiments. La distribution de l'eau chaude aux machines thermiques s'effectue par des orifices situés à la périphérie de la cuve. Après avoir cédé de la chaleur au gaz carbonique , l'eau de mer lbgè- rement refroidie remonte vers la surface en jouant un triple rôle 1) En circulant dans des doubles parois, elle améliore l'isolKmtnt thermique des échangeurs et du tube d'alimentation en eau chaude. 2) La remontée d'une eau de densité inférieure à l'eau ania"te engendre une poussée qui diminue l'énergie nécessaire au pompage. 3) L'espace annulaire situé autour du tube d' alinentation en eau chaude, dans lequel circule l'eau tiède, débouche au voisinage de la theLllocli- ne. Le courant ascensionnel créé à ce niveau favorise la remontée de l'eau froide qui s'est réchauffée au contact des échangeurs. Il y a avantage à mettre en place un engin de grande puissance 1) les pertes de chaleur par défaut d'isolement y sont moins importantes 2) le courant de convection de l'eau froide autour des échangeurs y est plus intense. Pour éviter la construction et surtout la mise en place dfilicate d'une machine thermique de grande dimension, la présente invention comporte un nombre plus ou moins élevé de machines thermiques installées 1 'une après l'autre autour de la cuve de décantation. En outre, la disposition symétrique de ces machines thermiques facilite l'établissemnt d'un courant de convection de l'eau froide dans les échangeurs. Les dessins annexés sont - Fig. 1 : schéma de principe d'une machine thermi que, - Fig. 2 : cycle thermodynamique, - Fig. 3 : schéma de principe de la cuve de décantation avant la mise en place des machines thermiques. Telle qu'elle est représentée Fig. 1, la machine thermique comporte cinq parties : de 1 a 2, un échangeur de chaleur horizontal, de 2 à 3, un échangeur de chaleur vertical, de 3 a 4, un échangeur de chaleur horizontal de 4 a 5, un échangeur de chaleur vertical, et de 5 a 1, une turbine accouplée a un alternateur. Par simplification, un sel tube a été représenté dans chaque dchan1- geur, dans la pratique, il s'y trouve un faisceau de tubes. Le gaz carbonique circule sans poRFe alimentaire dans le sens indiqué par les flèches A, B, C, D. L'eau chaude arrive en E, descend jusqu'en 3 puis remonte et sort refroidie en F. Les flèches G, , ., indiquent le sens de la clrculation de l'eau froide.Une cloison légère J s'oppose à une CiYCU- lation d'eau froide qui pourrait s'établir dans le sens K. Lorsque toutes les machines thermiques sont en place, l'ensemble de ces cloisons constitue une jupe qui favorise l'établissement dsun courant de convection en prove- nance de l'eau profonde.Les échangeurs de chaleur horizontaux si tués en bas des machines thermiques sont juxtaposés de telle sorte que l'eau froide passe-obligatoirement en G. L'alternateur L est refroidi par le gaz carbonique. La Fig. 2 représente le cycle thermodynamique d'une machine thermique. Le diagramme de Clapeyron (Pression, Volume) est présente retourné pour renrendre évidente la corespondance entre les éléments de la machine et ceux du cycle. Les mêmes chiffres (1,2,3,4,5) sont utilisées dans l'un ou l'autre cas. Si au lieu d'une détente adiabatique dans la turbine, on avait réalisé une détente isotherme, le cycle eut été 1',2,3,4,1', lequel est connu sous le nom de cycle d'Ericsson. La surface hachurée représente la faible perte d'énergie dans le cycle utilisé par rapport au cycle d'Ericsson. On remarque que le gaz carbonique évoluant non loin de son point critique (Pc = 73,849 Bars ; toc = 304,220 K), la phase liquide est légèrement compressible ; il en résulte que la courbe 2 - 3 n'est pas parallele à l'axe P. En raison des ohtlgements de phases entre I - 2 (condensation) et 3 - 4 (ébullition) , le flux thermique est beaucoup plus important dans les échangeurs horizontaux que dans les échangeurs verticaux. Il en résulte que le nombre des tubes est beaucoup plus important dans les premiers que dans les seconds. il en résulte également que la température de l'eau (chaude ou froide) varie peu d'un point à l'autre des échangeurs verticaux et que les transformations qui s'y operent sont pratiquement isothermes La Fig. 3 représente la cuve de décantation ; l'eau chaude arrive dans le sens M, contourne le cône inversé N et entre dans une machine thermique dans le sens O. Après usage, l'eau remonte en passant par P.Les vannes situées en Q et R contrôlent le débit à l'entrée et a la sortie de chaque machine. Les sédiments qui tombent sur le cône inférieur glissent dans la direction S et atteignent le fond T de la cuve. Un suceur (non représenté) remonte les boues selon la direction U. Le compartiment V contient de l'air sous pression et de l'eau. Un grand nombre de liaisons non représentées sont établies entre le fond et la surface - télémesures pour chaque machine, - télécommande des vannes, - télécommande des pompes d'alimentation en huile des paliers, - tube débouchant en haut du compartiment V qui injecte ou retire de l'air comprimé pour que la pression de l'air équilibre celle de l'eau de l'Océan à cette profondeur. - tube débouchant en bas du compartiment V qui injecte ou retire de l'eau afin de maintenir l'équilibre hydrostatique de l'engin, - cables transportant l'énergie électrique, - tubes injectant ou retirant du gaz carbonique dans chaque i'.achin lors de leur mise en place, pour compenser ,'ne fuite évent t le, en cas de change1nellt de régime. L'extrémité inférieure W de la cuve comporte des surcharges que l'on peut enlever pour maintenir l'équilibre hydrostatique de l'engin lo1- de sa construction ou lors de la mise en place d'une machine thermique. C'est également en W que peut s'effectuer l'ancrage de l'engin. Les potences X haubannées par Y assurent la suspension des machines thermiques. Lorsque l'engin est s tué dans une region soumise à de fortes tempe- tes, il est avantageux de prévoir des installations de surface ne craignant pas l'immersion. L'engin peut alors subir sans inconvénient une descente contrôlée de quelques mètres pour échapper aux effets de la tempête. Il existe une dimension minimum de la cuve de décantation qui assure uniquement la collecte des sédiments qui pourraient entraîner un encrassement des échangeurs. Une dimension plus importante est un choix économique puisqu'il conduit à un meilleur rendement de l'extraction de la matière organique pour un investissement plus important. Les calculs thermodynamiques sont facilités par l'abondance et i qualité des donnees publiées sur le gaz carbonique . Cependant les valeurs de l'enthalpie (en particulier si on utilise un diagramme de Mollier) dolvent Etre modifiées pour tenir compte de la variation d'altitude dans les échangeurs verticaux dont l'effet énergétique n'est pas négligeable. Le fond de la cuve est construit en cale sèche, la suite des travaux s'effectue en eau profonde, à l'aide des moyens habituels du génie maritime. Les machines thermiques sont également construites en cale sèche, puis remorquées et raccordées a la cuve centrale. Pour que l'engin joue son rôle écologique, il n'est pas nécessaire que l'eau rroide remonte jusqu'en surface , en effet, le déplacement vertical périodique du plancton assure le transport des sels minéraux, pourvu que les eaux qui en sont chargées se rapprochent suffisamment de la surface. Le gaz carbonique est le fluide idéal pour ce type de machine car il est bon marché, non polluant en cas de fuite, non corrosif en l'absence d'eau, il possède en otitre aux températures de fonctionnement, des pressions de vapeur saturante du même ordre que la pression de l'eau a 500 a 600 mètres de profondeur. Cet engin est susceptible d'être utilisé loin des côtes, l'énergie est alors transformée sur place (synthèse de l'ammoniac, production d'oxygène liquide, etc...) ; lorsqu'il est près des côtes, il peut assurer l'alimentation en électricité d'une région. La matière organique recueillie pourrait avoir des utilisations diverses ; proposons un néologisme "la planctochimie". REVENDICATIONS 1. Engin constitué par un ensemble de machines thermiques et de leurs annexes, utilisant comme source chaude, l'eau de surface des mers chaudes et comme source froide, l'eau située en profondeur, fonctionnant à l'aide d'une certaine quantité de gaz carbonique évoluant selon le cycle fermé représenté Fig. 2 : liquéfaction isobare (1-2), compression isotherme (2-3), vaporisation isobare (3-4), détente isotherme (4-5), détente adiabatique (5-1). Les deux transformations isobares s'effectuent dans deux échangeurs de chaleur horizontaux, les deux transformations isothermes s'effectuent dans deux échangeurs verticaux.L'ensemble des quatre échangeurs est constitué par des tubes réunis sous la forme d'un grand cadre rectangulaire (représenté schématiquament Fig. 1) placé verticalement dans l'océan à une profondeur de l'ordre de 500 à 600 mètres. Si on divise le cadre par une diagonale imaginaire, une partie comporte deux échangeurs en relation avec la source froide et l'autre partie, deux échangeurs en relation avec la source chaude. Dans la partie supérieure où passe la diagonale se trouve turbine & vapeur qui entraine un alternateur. La détente adiabatique du gaz carbonique s'effectue dans cette turbine. Les tubes des échangeurs en relation avec la source froide sont soumis à l'action d'un courant de convection de l'eau profonde sans mise en oeuvre d'un système de pompage. L'eau chaude est pompée en surface et amenée à l'aide d'une conduite verticale dans une vaste cuve de forme biconique dans laquelle l'eau est de- cantre avant de pénétrer dans les échangeurs. Chaque machine thermique, c'est-à-dire l'ensemble constitué par quatre échangeurs et un groupe turboalternateur, peut etre mise en place ou enlevée independamment des autres. Ces machines thermiques sont disposées radialement autour de la cuve centrale de décantation qui les alimente en eau chaude. 2. Gaz carbonique selon la revendication 1, caracterisé par le fait qu'il est injecté ou extrait de chaque machine thermique au moyen d'un tube relié aux installations de surface. L'injection ou l'extraction de gaz intervenant pour compenser de pertes éventuelles, pour limiter les con- traintes mécaniques résultant des pressions respectives du gaz carbonique et de l'eau environnante, en particulier lors de la mise en place de. machines thermiques, pour assurer les meilleures conditle',-, de fO,0(t onne- ment de chaque machine thermique. 3. Cycle thermodynamique selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il est très proche du cycle d'Ericsson (2 isobares et 2 isothermes) 4. Engin selon la revendication 1, caractérise par le fait que la construction modulaire des machines thermiques permet le développement d'une grande puissance souhaitable sans conduire au gigantisme, leur dis- position symétrique autour de l'axe de la cuve centrale assurant en outre un meilleur écoulement ascensionnel de l'eau froide. 5. Cuve centrale de décantation selon la revendication î, caractXri- sée par le fait que le plancton, plus compressible que l'eau, subit une augmentation de sa densité apparente au cours de la descente dans le tube d'alimentation en eau chaude et sédimente dans la dite cuve. 6. Cuve centrale de décantation selon la revendication 1, caracteri- see par le fait que la forme conique de la partie supérieure favorise la sédimentation, et que la forme conique de la partie inférieure assure le transit de la matière decantée vers la partie la plus basse. 7. Cuve centrale de décantation selon la revendication 1, caractéri sée par le fait que les sediments sont remontés vers les installations de surface par un suceur. Un tube et une pompe assurent le transit de la matière du fond de la cuve vers la surface. 8. Machines thermiques selon la revendication 1, caractérisées par le fait qu'elles sont suspendues à des potences haubannées, disposées autour de la cuve centrale. 9. Engin selon la revendication i, caractérisé par le fait que sa densité moyenne est maintenue J une valeur telle qu'il flotte verticalement dans l'eau, cette densité étant contrôlée en particulier par un ou plusieurs compartiments contenant de l'eau st de l'air sous pression. Ils sont situés à la partie supérieure de la cuve de décantation afin d'appor Lar isolation et bonne tenué mécanique à celle-ci, la pression de l'air y étant maintenue à un même ordre de grandeur que celle de l'eau a cette pro- fondeur grâce à une canalisation reliée aux installations de surface. Une autre canalisation débouchant au fond de cnaque compartiment permet d'alourdir ou d'alléger l'engin par une arrivée ou une sortie d'eau vers les installations de surface. 10. Echangeurs de la source chaude selon la revendication 1, caractérisés par le fait qu'ils possèdent une double paroi l'eau chaude descen fdnt à contre courant dans les échangeurs puis remontant dans la cavité la plus externe pour limiter les pertes de chaleur.