Brevet FR2564961A1 — publié le 19851129

La présente invention porte sur un procédé d'em magasinag d 'énergie thermique dans de l'eau de préférence salée. Quand on utilise de 1' eau comme source d' énergie pour les pompes å chaleur, il faut veiller à ce qu'elle ait, y compris pendant la période d'hiver froide, une température suffisaMment haute et en particulier constante pour pouvoir maintenir la circulation dans la pompe à chaleur Les inventeurs se sont fixés à cet égard comme tache de mieux utiliser l'eau, en particulier les eaux naturelles, comme réservoir et source d'énergie. I1 convient en particulier que le fonctionnement soit assuré meme pendant les hivers très rigoureux. L'invention atteint ce but en utilisant comme réservoir de chaleur de l'eau de fond dont la salinité est plus grande ou éventuellement maintenue plus grande que la salinité de couches d'eau situées au-dessus, en particulier d'eau de surface. Le procédé de l'invention fait usage du fait connu des inventeurs que l'eau est stratifiée en fonction de sa salinité et/ou de sa température (à salinité égale). En outre, l'invention s'appuie sur le fait connu des inventeurs qu'il existe des espaces limités naturellement, par exemple formés de bassins marins, bras de mer, baies, etc., dans lesquels l'eau salée de plus grande densité se trouve près du fond tandis que de l'eau plus légère de plus faible salinité se trouve, en raison de la différence de densité, au-dessus de cette eau de fond. En raison de la limitation géométrique de ces espaces, l'eau salée lourde est maintenue en profondeur ou près du fond.Elle est plus ou moins calme. I1 a été cons taté dans les baies et les fjords le long des côtes scandinaves qu'un échange de l'eau de fond avait lieu en environ 100 à 1000 ans. Vu cet ordre de grandeur, on peut parler en réalité d'une eau de fond immobile. L'invention fait usage, comme exposé ci-dessus, des connaissances antérieures en utilisant l'eau de fond immobile et isolée comme réservoir énergie thermique extrêmenient productif. Pour que l'eau de fond puisse être utilisée comme réservoir durable d'énergie thermique, l'invention propose qu'elle soit réchauffée de temps en temps ou portée à une température plus élevée avant la saison froide de façon telle qu'elle reste encore au fond. Pour le chauffage de l'eau de fond, de la chaleur est extraite de préférence de couches d'eau situées au-dessus, en particulier de l'eau de surface, ou d'autres sources d'énergie artificielles (chaleur perdue industrielle) ou naturelles (énergie solaire), principalement pendant la saison chaude, et cette chaleur est transmise à l'eau de fond par l'intermédiaire d'échangeurs de chaleur. Ensuite, pendant la saison froide, cette chaleur emmagasinée dans l'eau de fond peut en être ré-extraite. Le grand avantage de l'eau de fond comme réservoir d'énergie thermique réside, outre dans le grand potentiel, surtout dans le fait qu'il n'y a pas besoin de mesures constructives particulières pour réaliser une isolation thermique. Il n'y a pas non plus besoin de mesures constructives pour retenir l'eau de fond à l'endroit fixé par la nature. Les limites naturelles sont suffisantes. L'invention utilise donc la plus grande salinité de l'eau de fond comparativement à celle de l'eau de surface. L'eau de fond est chauffée à une température telle qu'elle ait juste encore une plus grande densité ou masse volumique que l'eau de surface. L'eau de fond reste ainsi près du fond. Avec l'utilisation d'une eau de fond naturelle de plus grande salinité que l'eau située au-dessus, il n > y a pas besoin de mesures ou de dispositifs particuliers pour augmenter la salinité de l'eau de fond. Si l'eau de fond n'est pas assez salée, dans le cadre de l'invention, on y ajoute suffisamment de sel pour obtenir le gradient de sel nécessaire entre l'eau de fond et l'eau de surface. On peut alors contrôler et régler les tem pératures. On peut aussi au besoin régénérer ou intensifier un réservoir d'énergie thermique en eau de fond naturel en y ajoutant du sel. Le transport de chaleur de l'eau de surface à 11 eau de fond pendant la saison chaude est fait de préférence au moyen d'un échangeur de chaleur. Celui-ci peut etre placé dans la zone de l'eau de fond servant de réservoir d1énergi-o chaude thermique et être alimenté en eau de surfacejpar pompage. Il est aussi concevable de placer l'échangeur de chaleur, flottant, dans l'eau de surface et d'y faire passer de l'eau de fond pompée vers le haut pour chauffer et recycler celle-ci. Cette disposition est avantageuse lorsque l'eau de surface a un fort courant ou est de l'eau de rivière, c'est-à-dire est agitée. Une autre possibilité de chauffage de l'eau de fond consiste à alimenter l'échangeur de chaleur en chaleur perdue d'installations de chaudières à sapeur industrielles, d'installations d'eaux usées de centrales nucléaires ou d'- installations semblables. L'invention est décrite e détail ci-aprbs à l'ai- de des dessins joints, sur lesquels la fig. 1 indique la masse volumique de l'eau en fonction de sa salinité et de sa température, et les fig. 2a à 2c montrent schématiquement diffé- rentes applications du procédé de l'invention. Le diagramme de la fig. 1 montre la variationde la masse volumique de l'eau dans l'intervalle de température 0-300C pour différentes salinités allant de O /oo à 7 O/o o. Ce diagramme montre que par exemple une eau ayant une salinité de 2 /0O, comme c'est souvent le cas à la surface de la mer Baltique, a à + 40C une masse volumique de 1004 kg/m Une eau ayant une salinité de 5 /oo a cette masse volumique à + 220C. Une eau avant une salinité de C /oo et une température de + 40C a la même masse volumique qu'une eau ayant une salinité de 1 /oo et une température de + 130C. On peut donc élever la température de l'eau de 5 à 100C par /oo de différence de salinité avant d'obtenir une masse volumique qui permette un échange d'eau vertical entre l'eau de fond et l'eau de surface en raison de la dif- férence de densité. Les choses sont en réalité beaucoup plus complï- quées, car la salinité et la température ne sont pas les seuls paramètres qui influent sur un mélange vertical. Des expériences ont cependant montré que les relations entre salinité-température et densité représentées sur la fig. 1 existaient en beaucoup de lieux et donc que l'invention pouvait être appliquée avec succès dans beaucoup de cas. Dans les fjords et les baies le long de la côte, il y a souvent une ou plusieurs couches d'eau de faible salinité et de l'eau de fond qui est immobile en raison de sa forte salinité. Les forces de gravitation entre les couches tendent à maintenir celles-ci et leur position. Il se produit cependant parfois des diffusions turbulentes qui provoquent une rupture des couches d'eau ou de la stratification. Le facteur de stabilité dynamique est par conséquent un paramètre important pour l'eau stratifiée. La stabilité statique pour deux liquides, dans le cas présent, de liteau, de salinité différente est définie comme suit g ## # #z avec e = masse volumique en kg/m3 et z = profondeur en mètres. Comme l'eau de surface, dans les eaux naturelles, etc., est constamment en mouvement, cette relation n'indique pas la stabilité effective de la stratification de l'eau Il est donc mieux de présenter la relation entre l'énergie cinétique et l'énergie potentielle pour une particule d'eau dans une zone stratifiée. Cette relation peut être exprimée par le nombre de Richardson Ri E étant l'énergie potentielle et Ec l'énergie cinétique. p La diffusion verticale est très forte quand R1 est voisin de zéro et très faible quand Ri est grand Un Ri d'environ 0,5 signifie un écoulement lami naire ou turbulent pulsatoire dans la zone de stratification. Pour calculer Ri pour 11 eau de l'archipel de Stockholm, on peut prendre les valeurs suivantes Salinité de l'eau de surface ............... 3 /oo Salinité de l'eau de fond ........ 4X5 /oo Hauteur ou épaisseur de la zone de stratification entre l'eau de surface d'une part et l'eau de fond d'autre part . dz = 2 m Un Ri de 18 indique une stratification très stable. Il y a naturellement encore d'autres paramètres qui influent sur le réservoir d'énergie thermique en eau de fond, par exemple la pénétration d'eau de fond froide environnante, une inclinaison de la zone de stratification influencée par le vent, en particulier un vent fort, l'afflux momentané d'eau de surface de salinité supérieure à la normale, etc. Les endroits prépondérants pour les réservoirs d'énergie thermique du type en question ici se trouvent dans - les baies semblables à des fjords au bord de rivières et de fleuves, - les baies semblables à des fjords au bord de canaux d'eaux usées ou analogues, - les baies du genre fjord dans les archipels, - les lacs d'eau douce dont l'eau de fond peut etre enrichie en sel, et - les lacs artificiels dont l?eau de fond peut également etre enrichie en sel. Pour une pompe à chaleur qui fonctionne pendant la période d'été avec l'eau de surface d'un lac comme source d'énergie et peut etre branchée pendant la période d'hiver à un réservoir d'énergie thermique en eau de fond du type indiqué, on peut calculer le bénifice suivant Exemple. Fompe à chaleur : 6 MW Rendement : 2,50 Chauffage à 100 7 pendant 6760 heures Durée de fonctionnement à pleine capacité : 5000 heures En raison de la température plus élevée de l'eau de fond, on a un rendement amélioré égal à 2,56. La consommation d'énergie électrique pour la pompe à chaleur peut être réduite à 6 IW 6 MW ( - ) x 2000 heures = 175 MWh. 2,50 2,56 La production d'énergie est augmentée de 6 MW x (2,56 - 2,50) x 2000 heures = 480 MWh. On en déduit le bénéfice en couronne suédoises (skr) suivant 480 175 MWh + 2,56 = 375 MWh rV 100 0o0 skr. Une augmentation du rendement de 5 % correspond à une réduction supplémentaire des dépenses d'énergie d'environ 500 000 skr, qui représente dans ce cas environ 6 à . % des dépenses totales de chauffage. Les moyens prévus par l'invention justifient un investissement d'environ 2 à 3 millions de skr pour le réservoir d'énergie thermique. il existe fondamentalement deux procédés pour transporter la chaleur de la zone superficielle au réservoir de chaleur en eau de fond - transmission de chaleur au moyen d'un échangeur de chaleur maintenu flottant dans l'eau de surface (fig. 2a), - transmission de chaleur au moyen d'un échangeur de chaleur placé dans la zone de l'eau de fond (fig. 2c). Dans le premier système, de l'eau de fond est pompée au moyen d'une pompe dans l'échangeur de chaleur 1 placé dans la zone superficielle, qui peut se présenter sous la forme d'un paquet de tubes dont les tubes sont baignés chacun sensiblement de tous les côtés par l'eau de surface. L'eau de fond chauffée dans cet échangeur tubulaire 1 est ensuite renvoyée par pompage dans la zone de l'eau de fond. Les conduites de pompage sont indiquées sur la fig. 2a par les chiffres repères 2 et 3. La zone de stratification entre la zone d'eau de surface 4 et la zone d'eau de fond 5 (salinité de par exemple 6 /oo) est indiquée par le chiffre repère 6. Dans le cas de la fig, 2a, l'eau de surface a un courant 7 qui favorise l'échange de chaleur dans la zone de l'échangeur 1. Dans le cas de 11 exemple de réalisation représenté sur la fig. 2a, on aurait besoin, pour emmagasiner 10 KWh en 6 mois par an, d'un échangeur de chaleur de 2,4 MW. Si k = 250 W/m2.K et si la différence de température entre 11 eau de surface et l'eau de fond était d'environ 10 C, on aurait besoin d'une surface d'échangeur d'environ 1000 m2. Le coat en serait d'environ 2 à 3 millions de skr. La dépense totale, pompe de circulation comprise, s'éléverait à environ 5 à 6 millions de skr. La durée d'amortissement serait alors inférieure à un an. La deuxième possibilité est représentée schémati- quement sur la fig. 2c. Dans l'eau de fond se trouve l'échan- geur de chaleur 1'. De l'eau de surface y est pompée par une pompe 8. La sortie 9 de l'échangeur 1' se trouve au-dessus de la zone de stratification 6, qui sépare la zone d'eau de surface, qui a une salinité de 2 /oo de la zone d'eau de fond, qui a une salinité de 5 O/oo. Les systèmes des fig. 2a et 2c fonctionnent de la manière représentée pendant la période d'été, c'est-à-dire une période o1h l'eau de surface est chauffée.L'extraction d'énergie thermique du réservoir de chaleur en eau de fond pendant la période d'hiver est faite de préférence au moyen d'un échangeur de chaleur séparé avec pompe pour le fluide circulant de changeur Sur la fig. 2b est représentée une forme ds réa- lisation dans laquelle on peut se passer d'une pompe séparée pour faire passer de l'eau de surface chauffée dans l'échan- geur de chaleur 1' placé dans la zone d'eau de fond. Le recy- clage de l'eau de surface chauffée se fait uniquement grace au fort courant d'eau de surface dans le sens des fiches 10. Pour l'obtention d'un dobit suffisant dans l'échangeur l' l'entrée de celui-c placée dans la zone supsrficielle est évasée en entonnoir Cet évasement est indiqué sur la fig. 2b par le chiffre repère 11. le fort courant d'eau de surface peut etre obtenu au moyen d'une sortie d'eau 12, par exemple une embouchure de cours d'eau, placée devant l'entrée ll de l'échangeur. Toutes les caractéristiques révélées dans les documents sont revendiquées comme étant essentielles à l'invention dans la mesure où elles sont nouvelles individuellement ou en combinaison par rapport à 11 état de la technique. RIEVEND ICATIONS. 1. Procédé d'emmagasinage d'énergie thermique dans de l'eau de préférence salée, caractérisé par le fait qu'on utilise comme réservoir d'énergie thermique de l'eau de fond (5) dont la salinité est plus grande ou éventuellement maintenue plus grande que la salinité de couches d'eau situées au-dessus (4). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que pour chauffer l'eau de fond (5), on extrait de la chaleur de couches d'eau situées au-dessus, en particulier de l'eau de surface (4), ou d'autres sources d'6ner- gie artificielles (chaleur perdue industrielle, etc.) ou naturelles (énergie solaire, etc.). 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé par le fait que pour chauffer l'eau de fond (5), on fait passer de l'eau de surface chaude ou chauffée (4) dans un échangeur de chaleur (1') placé dans l'eau de fond (5) et, de là, on la recycle. 4 Procédé selon la revendication 2, caractérisé par le fait que pour chauffer l'eau de fond (5), on fait passer celle-ci dans un échangeur de chaleur (l) placé dans l'eau de surface chaude ou chauffée (4) et, de là, on la recycle. 5. Procédé selon la revendication 3, caractérisé par le fait qu'on place l'entrée (11) de 11 échangeur de chaleur (19) pour l'eau de surface amenée au-dessus de la sortie (9) et maintient constamment celle-ci au-dessus de la couche la plus chaude de l'eau de fond (5), ou au-dessus de la zone de stratification (6). 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait qu'on augmente au besoin la salinité de l'eau de fond (5), de prétXrence au moyen d'un dispensa- teur de sel adjoint à l'échangeur de chaleur (lt) placé dans l'eau de fond, ou débouchant dans le circuit d'eau de fond (2, 1, 3). 7. Procédé de prise d'énergie thermique dans de l'eau de préférence salée, caractérisé par le fait que la prise de chaleur est faite dans de leeau de fond (53 dont la salinité est plus grande ou éventuellement maintenue plus grande que la salinité de couches d'eau situées au-dessus, en particulier de l'eau de surface (4). 8. Procédé selon la revendication 7 caractérisé par le fait que l'extraction de chaleur de lteau de fond (5) est faite au moyen d'un échangeur-de chaleur qui fait partie d'une installation de pompe à chaleur.