Brevet FR2789126A1 — publié le 20000804

-I- DESCRIPTION La présente invention concerne le domaine de la production et de la fourniture d'énergie électrique, en particulier pour les maisons et les immeubles d'habitation, et notamment dans les régions tempérées connaissant une forte pluviosité et des températures supérieures à environ 10 C au printemps et en automne, et a pour objet un dispositif de récupération d'énergie hydraulique. Dans les régions tempérées, on observe souvent, notamment dans les périodes d'intersaison, sur des durées prolongées, des températures extérieures résultant en des températures intérieures inférieures de seulement 1 C à 10 C à la température de confort généralement recherchée dans les habitations, c'est-à-dire 19 Cà21 C. Malgré la faible différence de température pouvant exister par rapport au confort idéal des habitants, ces derniers n'hésitent généralement pas à mettre en route leurs appareils de chauffage, notamment électriques, pour élever la température intérieure à la température de confort. Il peut alors être intéressant de faire appel à des sources d'énergie alternatives, notamment d'origine naturelle, susceptibles de produire une quantité d'énergie électrique suffisante pour atteindre la température de confort souhaitée par chauffage électrique. Toutefois, dans les régions tempérées éloignées de la mer, les conditions d'ensoleillement et de vent durant les périodes précitées sont insuffisantes pour la production rentable de quantités d'électricité suffisantes. nI est en de même pour les dispositifs de récupération d'énergie du type pompe à chaleur. Par ailleurs, les techniques de récupération d'énergie précitées nécessitent des investissements élevés, mettent en oeuvre des systèmes à durée de vie limitée et ne permettent pas un stockage au moins limité d'énergie non électrique pour une production d'énergie électrique différée dans le temps, à la demande de l'utilisateur, en particulier pour éventuellement fournir un chauffage temporaire jusqu'à l'occurrence d'une période à tarification réduite consécutive. La présente invention a notamment pour but de fournir une solution permettant de répondre aux différentes contraintes précitées. A cet effet, elle a pour objet un dispositif de récupération d'énergie hydraulique pour constructions du type maison individuelle ou immeuble, caractérisé en ce qu'il est principalement constitué, d'une part, par un premier -2- réservoir supérieur installé en hauteur, préférentiellement dans les combles ou sur le toit de la construction, et par un second réservoir inférieur installé dans la partie inférieure de ladite construction, préférentiellement dans la cave, ou enterré à l'extérieur de ladite construction, d'autre part, par une conduite descendante dont le flux actionne au moins une turbine connectée à au moins une génératrice électrique et par une conduite montante intégrant au moins un organe de transfert actif du type pompe, ces conduites reliant entre eux les deux réservoirs précités et, enfin, par des organes d'obturation, de distribution et de contrôle de niveau reliés à une unité de commande et de gestion du fonctionnement du dispositif et déterminant, en fonction de leurs états, la circulation du fluide hydraulique dans l'ensemble réservoir supérieur / conduite descendante / réservoir inférieur I conduite montante. L'invention sera mieux comprise, grâce à la description ci-après, qui se rapporte à un mode de réalisation préféré, donné à titre d'exemple non limitatif, et expliqué avec référence aux dessins schématiques annexés, dans lesquels les figures 1 à 6 représentent le dispositif de récupération d'énergie selon l'invention, en illustrant cinq états de fonctionnement possibles de ce dernier. Comme le montrent les figures des dessins annexés, le dispositif de récupération d'énergie est principalement constitué, d'une part, par un premier réservoir supérieur I installé en hauteur, préférentiellement dans les combles ou sur le toit de la construction, et par un second réservoir inférieur 2 installé dans la partie inférieure de ladite construction, préférentiellement dans la cave, ou enterré à l'extérieur de ladite construction, d'autre part, par une conduite descendante 3 dont le flux actionne au moins une turbine 4 connectée à au moins une génératrice électrique 5 et par une conduite montante 6 intégrant au moins un organe de transfert actif 7 du type pompe, ces conduites 3 et 6 reliant entre eux les deux réservoirs I et 2 précités et, enfin, par des organes d'obturation, de distribution et de contrôle de niveau 8, 9, 10, 11, 12, 12' reliés à une unité 13 de commande et de gestion du fonctionnement du dispositif et déterminant, en fonction de leurs états, la circulation du fluide hydraulique 7' dans l'ensemble réservoir supérieur I / conduite descendante 3 / réservoir inférieur 2 / conduite montante 6. Pour optimiser la rentabilité et l'efficience du dispositif selon l'invention, il peut être avantageusement prévu que l'organe de transfert actif 7 soit situé sensiblement à même hauteur que l'orifice de sortie 1' du réservoir supérieur I relié à la conduite descendante 3 et que la turbine 4 soit installée à proximité de l'extrémité de la conduite descendante 3 pénétrant dans le réservoir inférieur 2. 3 - L'organe de transfert 7 pourra, par exemple, se présenter sous la forme d'une pompe aspirante et le flux d'eau 7' pourra être canalisé au niveau de la turbine 4 de telle manière que son impact sur les aubes de cette dernière et la transformation de l'énergie de la chute de l'eau dans la conduite descendante 3 en couple de rotation soient optimisés. La turbine 4 pourra, par exemple, présenter une section profilée obtenue par extrusion d'un alliage d'aluminium connu sous la dénomination Duralumin (nom déposé) avec un profil adapté et montée dans un carter en plastique obtenu par exemple par assemblage de deux demi-coquilles. La liaison en rotation de la turbine 4 avec la génératrice 5 pourra, le cas échéant, s'effectuer au travers d'un réducteur ou adaptateur, optimisant le couple et la vitesse d'entraînement en fonction des caractéristiques de ladite génératrice 5. On notera, en outre, que la présence d'une quantité importante d'eau dans les combles permet de réguler la température des pièces sous- jacentes du fait de son inertie thermique, tant en termes de rafraîchissement que de réchauffement. Selon une caractéristique de l'invention, les conduites descendante 3 et montante 6 sont reliées entre elles par une conduite de bouclage 14 traversant le réservoir inférieur 2 dans sa partie supérieure et présentant une portion de dérivation 14' plongeant dans le fluide hydraulique 7' présent dans le réservoir inférieur 2. En vue de permettre la récupération de l'énergie hydraulique potentielle de l'eau de pluie ou, le cas échéant, de l'eau provenant de la fonte de la neige, et d'autoriser un approvisionnement en eau à moindre coût du circuit hydraulique faisant partie du dispositif selon l'invention, ce dernier comprend également une conduite 15 d'alimentation en eau de pluie, reliée au dispositif 16 de récupération de l'eau de pluie de la construction concernée (par exemple un système de gouttières interconnectées) et débouchant soit dans le réservoir supérieur 1, soit dans la partie supérieure de la conduite descendante 3. Pour permettre une régulation du niveau d'eau dans le circuit hydraulique, et notamment dans les réservoirs inférieur 2 et supérieur 1, et l'évacuation du trop-plein et des quantités d'eau de pluie excédentaires, ledit dispositif de récupération comprend, en outre, une portion de conduite 17 de vidange ou de mise à l'égout reliée à la conduite descendante 3 en aval de la turbine 4, et en dérivation par rapport à la conduite de bouclage 14. Conformément à une caractéristique de l'invention, limitant les risques d'inondations et éliminant les éventuelles nuisances sonores liés à 4 l'utilisation du dispositif selon l'invention, le réservoir inférieur 2 ainsi que la turbine 4 et la génératrice électrique 5 sont préférentiellement installés dans une fosse étanche 18, préférentiellement isolée phoniquement, notamment au niveau de sa partie supérieure. Pour assurer les différentes configurations du circuit hydraulique nécessaires aux différents modes de fonctionnement précités, le dispositif de récupération pourra notamment comprendre une électrovanne 8 contrôlant l'écoulement du fluide hydraulique 7' ou de l'eau au niveau de l'orifice de sortie 1' du réservoir supérieur 1, une électrovanne 9 contrôlant le passage entre la conduite de bouclage 14 et la portion de dérivation 14' et, enfin, une électrovanne 10 à trois voies ou deux électrovannes simples contrôlant l'écoulement du fluide hydraulique 7' entre la conduite descendante 3, d'une part, et la conduite de bouclage 14 et la portion de conduite de vidange 17, d'autre part. En outre, le dispositif selon l'invention comprendra également, de manière avantageuse, un capteur ou détecteur I 1 de niveau haut dans le réservoir supérieur 1, ainsi qu'un capteur ou détecteur 12 de niveau haut et un capteur ou détecteur 12' de niveau bas dans le réservoir inférieur 2. Par ailleurs, on pourra également prévoir une sonde 19 détectant la présence d'eau de pluie ou d'eau provenant de la fonte de la neige dans la conduite d'alimentation 15 ou dans le dispositif 16 de récupération d'eau de pluie. De plus, pour optimiser la récupération d'énergie en cas de faible pluie, dont le débit instantané est insuffisant pour actionner l'ensemble turbine 4 / génératrice 5, ledit dispositif peut comprendre un réservoir d'accumulation 20 alimenté par le dispositif 16 de récupération de l'eau de pluie et dont la sortie est reliée à la conduite d'alimentation 15 par une vanne d'obturation 21 commandée par l'unité 13 (voir figure 3). Ce réservoir d'accumulation 20 se remplira donc lentement en cas de faible pluviosité et sera vidé par actionnement de la vanne 21 après qu'un certain niveau, mesuré par un capteur adapté, ait été détecté. L'eau de pluie accumulée pourra être injectée dans les réservoirs supérieur I et/ou inférieur 2 ou éventuellement être évacuée par la portion de conduite 17. L'unité de commande et de gestion 13, par exemple sous forme d'une unité informatique du type automate programmable ou ordinateur personnel, assurera la configuration du circuit hydraulique en fonction des requêtes de l'utilisateur, de l'état dudit circuit hydraulique et des conditions atmosphériques extérieures, notamment la présence ou non d'eau de pluie ou d'eau provenant de la fonte de la neige. - Ledit automate 13 pourra également assurer une gestion optimale du chauffage des différentes pièces d'une maison ou d'un immeuble en ne chauffant que les pièces occupées, I'occupation étant détectée par des capteurs adaptés et/ou prévue selon un plan d'occupation horaire préprogrammé (anticipation du chauffage). L'utilisation de l'énergie électrique récupérée pour le chauffage s'effectuera avantageusement en relation avec les radiateurs et selon le procédé de chauffage décrit dans la demande de brevet français n 2 747 457. Les différents modes de fonctionnement possibles du dispositif selon l'invention vont à présent être décrits en relation avec les figures I à 5 annexées. Les figures I et 2 illustrent les deux phases de fonctionnement les plus usuelles, à savoir, d'une part, la récupération de l'énergie hydraulique potentielle de l'eau accumulée dans le réservoir supérieur I lors du déversement du contenu de ce dernier dans le réservoir inférieur 2 (figure 1), en cas de demande de chauffage par l'utilisateur, et, d'autre part, le remplissage du réservoir supérieur I en boucle fermée par transfert de l'eau déversée dans le réservoir inférieur 2 lors de la phase précédente, ce transfert s'effectuant préférentiellement lors des périodes à tarification réduite (notamment courant de nuit) pour en limiter le coût (figure 2). On notera que ce fonctionnement en boucle fermée ne nécessite aucun apport extérieur en eau de pluie et permet un stockage d'énergie a priori à durée illimitée et sans perte, sous forme non électrique et convertible en énergie électrique pour le chauffage sur simple demande de l'utilisateur. Les figures 3 et 4 illustrent les deux phases consécutives de première mise en route ou de réinitialisation du système hydraulique après vidange complète. Comme le montre la figure 3, on profite avantageusement d'une période pluvieuse pour procéder au remplissage du réservoir supérieur I jusqu'à sa valeur optimale, puis au remplissage au moins partiel du réservoir inférieur 3 (figure 4), étant noté que l'actionnement de la turbine 4 par l'eau de pluie permet, même pendant ces phases d'initialisation, de produire de l'électricité, notamment pour le chauffage. La figure 5 illustre le mode de fonctionnement normal du dispositif selon l'invention en période de pluie, ou après écoulement de la période d'initialisation du circuit hydraulique en cas de maintien de la pluie, dans lequel l'eau de pluie collectée actionne la turbine 4 puis s'évacue par la portion de conduite 17 de mise à l'égout. -6- Enfin, la figure 6 représente un fonctionnement possible du dispositif en courant de nuit, lorsque la réduction du tarif électrique rend le fonctionnement du dispositif rentable du fait des rendements élevés de l'ensemble turbine 4 / génératrice 5, d'une part, et de la pompe 7, d'autre part. La présente invention a également pour objet un ensemble de récupération d'énergie exploitant au maximum les sources d'énergies naturelles, notamment celles liées aux agents atmosphériques. Cet ensemble est composé par l'association d'un dispositif tel que décrit ci-dessus avec au moins un dispositif de récupération d'énergie solaire, un dispositif de récupération d'énergie éolienne, un dispositif de récupération d'énergie du type pompe à chaleur et/ou un dispositif de récupération d'énergie géothermique, l'utilisation alternative ou simultanée de ces différents dispositifs étant optimisée par une unité de gestion et de commande reliée à des capteurs et/ou des sondes adaptés. En variante au chauffage électrique direct décrit précédemment, il peut aussi être prévu que l'énergie récupérée, sous forme électrique ou calorique, soit utilisée pour chauffer l'eau d'un ballon réservoir isolé relié à des radiateurs et/ou à des conduites de chauffage par le sol. Ce ballon réservoir pourra être installé en remplacement ou en parallèle d'un chauffage central existant. Cette utilisation des énergies naturelles, et notamment de l'énergie hydraulique par stockage d'eau dans le réservoir supérieur 1, est particulièrement intéressante pour fournir un complément de chauffage durant la journée, suite par exemple à l'accumulation d'énergie calorique par chauffage dans le sol, effectuée durant la nuit à tarif électrique modéré et qui fournira un fond de température. On notera également que la baisse de consommation électrique résultant de l'utilisation de l'une ou de plusieurs des énergies naturelles précitées permet à l'utilisateur de souscrire un abonnement réduit auprès du fournisseur électrique. Conformément à une caractéristique complémentaire de l'invention, optimisant le fonctionnement de l'ensemble de récupération d'énergie, l'énergie électrique récupérée par voie solaire et/ou éolienne peut être, de manière contrôlée, utilisée pour actionner l'organe de transfert actif 7. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit et représenté aux dessins annexés. Des modifications restent possibles, notamment du point de vue de la constitution des divers éléments ou par 7 - substitution d'équivalents techniques, sans sortir pour autant du domaine de protection de l'invention. -8- REVENDICATIONS 1. Dispositif de récupération d'énergie hydraulique pour constructions du type maison individuelle ou immeuble, caractérisé en ce qu'il est principalement constitué, d'une part, par un premier réservoir supérieur (1) installé en hauteur, préférentiellement dans les combles ou sur le toit de la construction, et par un second réservoir inférieur (2) installé dans la partie inférieure de ladite construction, préférentiellement dans la cave, ou enterré à l'extérieur de ladite construction, d'autre part, par une conduite descendante (3) dont le flux actionne au moins une turbine (4) connectée à au moins une génératrice électrique (5) et par une conduite montante (6) intégrant au moins un organe de transfert actif (7) du type pompe, ces conduites (3 et 6) reliant entre eux les deux réservoirs (I et 2) précités et, enfin, par des organes (8, 9, 10, 11, 12, 12') d'obturation, de distribution et de contrôle de niveau reliés à une unité (13) de commande et de gestion du fonctionnement du dispositif et déterminant, en fonction de leurs états, la circulation du fluide hydraulique (7') dans l'ensemble réservoir supérieur (1) / conduite descendante (3) / réservoir inférieur (2) / conduite montante (6). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'organe de transfert actif (7) est situé sensiblement à même hauteur que l'orifice de sortie (1') du réservoir supérieur (1) relié à la conduite descendante (3) et en ce que la turbine (4) est installée à proximité de l'extrémité de la conduite descendante (3) pénétrant dans le réservoir inférieur (2). 3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications I et 2, caractérisé en ce que les conduites descendante (3) et montante (6) sont reliées entre elles par une conduite de bouclage (14) traversant le réservoir inférieur (2) dans sa partie supérieure et présentant une portion de dérivation (14') plongeant dans le fluide hydraulique (7') présent dans le réservoir inférieur (2). 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications I à 3, caractérisé en ce qu'il comprend également une conduite (15) d'alimentation en eau de pluie, reliée au dispositif (16) de récupération de l'eau de pluie de la construction concernée et débouchant soit dans le réservoir supérieur (1), soit dans la partie supérieure de la conduite descendante (3). 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 et 4, caractérisé en ce qu'il comprend, en outre, une portion de conduite (17) de vidange ou de mise à l'égout reliée à la conduite descendante (3) en aval de la turbine (4), et en dérivation par rapport à la conduite de bouclage (14). -9- 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le réservoir inférieur (2) ainsi que la turbine (4) et la génératrice électrique (5) sont installés dans une fosse étanche (18), préférentiellement isolée phoniquement. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisé en ce qu'il comprend un réservoir d'accumulation (20) alimenté par le dispositif (16) de récupération de l'eau de pluie et dont la sortie est reliée à la conduite d'alimentation (15) par une vanne d'obturation (21) commandée par l'unité (13). 8. Ensemble de récupération d'énergie, caractérisé en ce qu'il est composé par l'association d'un dispositif selon l'une quelconque des revendications I à 7 avec au moins un dispositif de récupération d'énergie solaire, un dispositif de récupération d'énergie éolienne, un dispositif de récupération d'énergie du type pompe à chaleur et/ou un dispositif de récupération d'énergie géothermique. 9. Ensemble selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'énergie récupérée, sous forme électrique ou calorique, est utilisée pour chauffer l'eau d'un ballon réservoir isolé relié à des radiateurs et/ou à des conduites de chauffage par le sol. 10. Ensemble selon l'une quelconque des revendications 8 et 9, caractérisé en ce que l'énergie électrique récupérée par voie solaire et/ou éolienne est, de manière contrôlée, utilisée pour actionner l'organe de transfert actif (7).