Brevet FR2545067A1 — publié le 19841102

La présente invention a pour objet un procédé et un dispositif pour le stockage souterrain d'ammoniac liquéfié, ou de produits analogues, à la température ambiante. Le stockage souterrain offre par rapport au stockage en sphères de surface, une sécurité supérieure tant en ce qui concerne la vulnérabilité à des actes de sabotage ou à des chutes d'aéronefs que sur le plan de la protection de l'environnement aérien et aquifère, en cas de rupture accidentelle La conception de base repose sur la réalisation de cavités par creusement au rocher, l'étanchéité du stockage étant réalisée par l'utilisation d'une enveloppe imperméable. L'ammoniac (NH 3) bout à -33,40 C sous la pression atmosphérique. Il peut donc être stocké dans ces conditions -Un tel stockage cryogénique conduit à des coûts de création très élevés et à des coûts d'exploitation et de maintenance largement supérieurs aux coûts des stockages sous pression L'ammoniac est facilement liquéfiable par compression: 4 bars à + 20 C, 6 bars à 15 C, 8 bars à 230 C. La température en galerie souterraine à quelques dizaines de mètres de profondeur est d'environ 150 et c'est dans ces conditions qu'est envisagé le stockage selon l'invention, bien que cette tem- pérature puisse s'écarter temporairement de cette valeur, par suite d'introduction dans le stockage d'ammoniac à une tempéra- ture différente Il faudra cependant éviter d'introduire de l'ammo- niac à 00 C ou en-dessous, pour ne pas risquer de faire geler l'eau des terrains encaissants, dont les déformations pourraient alors perturber l'installation. -2 - Au vu des caractéristiques de l'ammoniac et de ses propriétés chimiques, notamment vis-à-vis de l'eau, la conception du stockage doit faire face à un double problème: assurer le confinement parfait de l'ammoniac stocké dans la capacité, c'est-à-dire interdire toute fuite du produit vers l'extérieur (atmosphère ou eau des terrains encaissants); s'assurer que l'eau de la formation encaissante, soit nappe aquifère, soit infiltrations intermittentes en rocher désaturé, ne puisse pénétrer dans le stockage en quantité inacceptable pour le produit. La conception du stockage doit répondre à cette double nécessité d'étanchéïté et l'étanchéité doit être pérenne durant la vie de l'ouvrage On peut se baser sur l'interposition entre le produit et le milieu encaissant d'une membrane complètement impermé- able, membrane qui doit être en outre capable de résister à la pression interne de l'ammoniac stocké et de pouvoir supporter sans se rompre, dans une certaine mesure, des variations dimensionnelles (dues à des variations de température du produit stocké, à la fissuration du béton de revêtement, par exemple). Cette membrane doit également résister à la corrosion interne du produit et externe du milieu ambiant (eau). Avantageusement, la membrane imperméable (ou enveloppe) pourra être en métal On peut retenir en règle générale, que la plupart des métaux et de leurs alliages sont essentiellement inertes et ne présentent pas de corrosion généralisée Il faut toutefois écarter le cuivre, le zinc ou leurs alliages, particuliè- rement en présence d'eau Enfin, l'oxygène et l'azote, et de façon plus générale l'air, peuvent entraîner un phénomène de corrosion sous contrainte des aciers de construction Une addition d'eau ( 0,2 % en poids au terme de la législation en vigueur 2545 Oe 7 3 - aux Etats-Unis) à l'ammoniac semble éliminer ce risque En conclusion, l'utilisation d'un acier doux est recommandée, sous réserve d'une bonne réalisation des soudures et de la possibilité d'ajouter 2 '/lo d'eau dans le produit. Dans le procédé décrit dans le brevet français 2 380 200 ( 8 mars 1977) de la demanderesse, on maintient autour de l'enveloppe une pression d'eau supérieure à la pression intérieure On évite ainsi de contaminer la nappe souterraine, mais cela n'exclut pas la possibilité de contaminer le produit stocké, si une fuite apparaft dans l'enveloppe. L'invention a pour but un procédé et un dispositif suivant lesquels aucune contamination n'est à craindre, cependant que tout défaut d'étanchéité de l'enveloppe est aussitôt remarqué Le procédé et le dispositif de l'invention, qui seront décrits à propos de l'am- moniac, peuvent s'appliquer aux autres produits à stocker, qui présenteraient des caractéristiques analogues ou voisines. Conformément à la présente invention, pour réaliser un stockage souterrain d'ammoniac ou d'un produit analogue, on utilise une enveloppe étanche que l'on dispose dans une cavité située à une profondeur telle que la pression de l'eau souterraine au niveau de la cavité soit supérieure à la pression maxima possible à l'inté- rieur de l'enveloppe, et l'on ménage autour de l'enveloppe un espace annulaire o l'on maintient une pression inférieure à la plus basse pression possible à l'intérieur de l'enveloppe. Avantageusement, l'enveloppe est en acier doux, et sera protégée extérieurement contre la corrosion par une installation électro- lytique. 4 - D'autres caractéristiques de l'invention apparaîtront au cours de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limi- tatif en regard des dessins ci-joints, et qui fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. Sur les dessins, la figure 1 représente une coupe d'ensemble d'un stockage selon l'invention; la figure 2 est une vue à plus grande échelle d'une partie du stockage de la figure 1; et, la figure 3 est une vue en coupe par un plan vertical axial d'une cavité bétonnée, sans enveloppe imperméable, montrant le réseau de rigoles formant l'espace annulaire de drainage. Dans un site représenté en coupe sur la figure 1, avec un cours d'eau, on a réalisé une capacité de stockage en creusant une galerie 1 desservie par un puits 2 L'accès au sous-sol se fait par le puits vertical 2 La cavité excavée 1 et le puits sont revêtus de béton coffré 3,7 destiné, pour le puits, au maintien de la stabilité en cours de travaux et à long terme, et pour la cavité à offrir une surface régulière contre laquelle est appliqué le revêtement en acier La pression interne du stockage est de cette façon reportée contre le béton et le rocher Après réalisation complète de l'exca- vation, la galerie sera entièrement revêtue d'un anneau de béton non armé L'épaisseur peut être de 50 cm On peut prévoir, de façon classique, des joints pour maitriser les fissures de retrait. Comme représenté sur la figure 1, la galerie 1 peut contenir deux stockages 4, 5 disposés de part et d'autre du puits 2 Les dimensions données sur la figure 1 sont des exemples n'ayant aucun caractère limitatif. Z 545 Gt$ 7 - Chaque stockage est logé dans la galerie 1 (figure 2) dont les parois sont garnies d'un béton perméable 7; l'étanchéité est réalisée grâce à un revêtement en tôle d'acier soudée 9 recou- vrant en totalité les parois de béton Cette tôle peut être protégée intérieurement contre la corrosion du produit et extérieurement contre celle du milieu ambiant, par exemple par protection cathodique Bien entendu, dans le cadre de la présente invention, il n'est pas exclu d'utililiser une enveloppe non métallique en plastique ou en caoutchouc par exemple. On réserve entre le terrain et le revêtement acier un espace annulaire 10 faisant fonction de drain et qui est maintenu en per- manence à une pression inférieure à la pression hydrostatique et à la pression du produit On interdit de ce fait la pénétration de l'eau dans le stockage, on peut contrôler en permanence l'absence de fuite de produit dans l'annulaire, et dans l'hypothèse extrême o cette dernière se produirait, il serait possible de récupérer le produit dans l'annulaire sans pollution de l'aquifère environnant Dans le détail de la conception de base, on envisage de pouvoir accéder à la capacité de stockage en prévoyant les moyens d'exhaurer com- plètement l'annulaire et de pénétrer à l'intérieur de la cavité par un trou d'homme 12 formé dans le bouchon de béton 14 La pompe d'exhaure 15 sera dimensionnée pour pouvoir extraire en perma- nence la totalité des eaux percolant à partir du massif. L'anneau de béton peut jouer le rôle bénéfique de barrière de perméabilité donc diminuer fortement, voire supprimer, le débit effectif d'exhaure On ne peut néanmoins garantir, dans les conditions du stockage, la pérennité des caractéristiques d'im- perméabilité du béton à long terme et la pompe devra être capable, par sécurité, d'absorber la totalité du débit résiduel en caverne, après injections de colmatage et avant pose de l'anneau de béton. 6 - La possibilité de pannes de la pompe d'exhaure doit être envisa- gée Il y a risque dans ce cas de voir la pression de l'annulaire tendre vers la pression hydrostatique et dépasser la pression d'écrasement du revêtement acier Pour éviter ce risque, on utilise un volume-tampon qui recueille les eaux d'exhaure pendant le temps nécessaire à l'intervention sur la pompe Ce volume- tampon peut être constitué par le volume du puits au-dessus du niveau d'exhaure permanent ou être constitué par une amorce de galerie 17 située en contre-haut du stockage Le choix de la solution sera à déterminer en fonction des caractéristiques hydro- géologiques exactes du massif et de l'efficacité des injections de colmatage en cours de construction, donc du débit permanent à exhaurer en exploitation On considère dans ce schéma que le stockage est implanté à une profondeur telle sous le niveau de la nappe que la pression hydrostatique dans le terrain est en perma- nence supérieure à celle du stockage Si la nappe est suffisamment réalimentée, on dispose ainsi de surcroît d'une étanchéité hydrau- lique naturelle interdisant l'évasion du produit dans le massif encaissant. L'enveloppe imperméable prenant appui sur le béton, l'espace annulaire pourra avantageusement être constitué par un réseau de rigoles (figure 3) Par exemple, des rainures 25, 26 de 5 cm de large et de 1 cm de profondeur pourront être prévues dans le béton suivant les génératrices et les sections du cylindre, avec un espacement de 1 m, afin de constituer l'espace annulaire. Dans le cas d'une enveloppe en tôle d'acier soudée, on peut dispo- ser les rigoles 25 suivant les sections au droit des soudures On pourrait alors en variante, supprimer les rigoles 26 suivant les génératrices et connecter chaque rigole 25 à une tubulure -7- d'exhaure Cette disposition nécessiterait de nombreuses tubu- lures, mais en cas de fuite on en localiserait immédiatement l'emplacement Les fuites risquant de se produire principalement sur les soudures, on saurait, par la tubulure d'exhaure contenant du produit stocké, quelle est la soudure défaillante, ou si deux tubulures déversent de l'eau ammoniaquée, dans quelle tranche de l'enveloppe il faut réparer. La pompe est suspendue à un tube de refoulement 18 Elle peut être montée ou descendue en fonction du niveau désiré ou en cas de vidange complète du puits, jusque dans le puisard 20. A titre d'exemple, pour un stockage d'ammoniac à 150, la pression d'équilibre dans l'enveloppe est 6 bars; on choisira une profondeur à laquelle la pression hydrostatique est 9 bars et dans l'espace annulaire de drainage, on maintiendra une pression moyenne de 2 bars Le niveau bas du volume tampon 17 sera alors à environ dix mètres au-dessus du plafond de la galerie 1 du stockage. A titre de variante, il serait possible de prévoir la réalisation d'un deuxième annulaire extérieur situé entre le terrain encais- sant et le béton Son but est de diminuer les venues d'eau du terrain vers l'ammoniac en cas de rupture de la peau acier et de permet- tre ainsi d'utiliser le stockage jusqu'à la fermeture annuelle de l'usine, afin de procéder à la réparation Il peut être constitué à titre d'exemple par des gaines classiques de drainage disposées sur le terrain avant coulage du béton Ces gaines sont reliées à un dispositif semblable à celui de l'annulaire intérieur afin de maintenir la pression intermédiaire entre la pression du stockage et la pression hydrostatique (exemple = 7 bars pour 6 bars inté- rieurs et 9 bars extérieurs). Dans le cas représenté, on notera que la hauteur du stockage ( 8 m) détermine une pression différentielle non négligeable entre le haut et le bas du stockage En absence d'introduction de produit, la pression du stockage se stabilisera à celle correspondant à la température ambiante (en général 15 e, 6 bars pour l'ammoniac), la pression pourra un peu varier lors d'une entrée importante de produit à température différente de celle de l'équilibre. Le fond sphérique du revêtement intérieur acier est réalisé en tôle de forte épaisseur (par exemple 14 mm) ainsi que les deux mètres de l'extrémité cylindrique du réservoir pour permettre le montage des différents piquages de raccordement et de mesures non représentés sur les schémas et du trou de visite La pression interne du réservoir en cours d'exploitation (équivalente à environ 4000 T) est reprise par le bouchon 14 en béton ferraillé sur lequel s'appuie le fond sphérique. L'exemple représenté comporte deux réservoirs Ce schéma permet le remplissage d'une des capacités pendant que l'on déstocke l'autre Il est possible de prévoir davantage de cavités, par exemple suivant les dispositions connues en étoile autour du puits, ou en dents de peigne, en fonction de l'activité prévisible et de la nature du terrain La vidange totale d'une cavité pour inspection et/ou réparation est toujours possible, après pompage jusqu'au niveau du puisard 20 de l'eau d'exhaure Il serait alors nécessaire de réaliser un rideau d'eau assurant la continuité de la pression hydrostatique aux abords du puits. Les tuyauteries, vannes, détecteurs de niveaux et autres acces- soires sont classiques et il n'est pas utile de les décrire ici. 9 - Il va de soi que le mode de réalisation décrit n'est qu'un exemple et qu'il serait possible de le modifier notamment par substitution d'équivalents techniques sans sortir pour cela du cadre de 1 ' invention. - Revendications 1 Procédé de stockage souterrain d'un produit liquéfiable sous pression et miscible à l'eau, tel que l'ammoniac, dans lequel le stockage est installé dans une cavité ( 1) formée à une profon- deur telle que la pression hydrostatique de l'eau dans le massif soit supérieure à la plus forte pression prévisible pour le produit stocké, et le stockage étant effectué dans une enveloppe imper- méable, logée dans la cavité, caractérisé en ce que l'on prévoit autour de l'enveloppe ( 9) un espace annulaire de drainage maintenu à une pression inférieure à la plus basse pression prévisible pour le produit stocké. 2 Procédé selon la revendication 1, pour stocker de l'ammoniac, caractérisé en ce que la pression du stockage est d'environ 6 bars, la pression du massif est environ 9 bars et la pression de l'espace annulaire est environ 2 bars. 3 Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon une des revendications 1 ou 2, comprenant une galerie ( 1) accessible par un puits ( 2), les parois de la galerie étant rendues lisses et régulières notamment par un bétonnage ( 7), une enveloppe imper- méable ( 9) logée dans la galerie, le niveau en profondeur de la galerie ( 1) étant choisi pour avoir une pression hydrostatique de l'eau dans le massif supérieure à la pression du stockage, carac- térisé en ce qu'un espace libre ( 10) est réservé annulairement entre l'enveloppe imperméable ( 9) et la paroi de la galerie ( 1), des moyens étant prévus pour maintenir cet espace à une pression inférieure à celle du stockage. 4 Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que 11 - l'enveloppe étanche ( 7) est en tôle d'acier. Dispositif selon une des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que l'espace annulaire ( 10) est constitué par des rigoles ( 25, 26) formées dans la paroi de la cavité. 6 Dispositif selon une des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que l'espace annulaire ( 10) est connecté A un puits ( 2), communiquant avec un volume- tampon ( 17) situé à un niveau au-dessus du stockage correspondant à la pression hydrostatique de l'espace annulaire.